一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法及应用技术

技术编号:20919926 阅读:50 留言:0更新日期:2019-04-20 10:24
本发明专利技术属于形状记忆合金制备技术领域,公开了一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法及应用。将纯钛和纯镍进行配料、熔炼,得到钛镍合金棒材,然后通过旋转电极雾化法制取合金粉末,对粉末进行筛分处理,获得粒径为15~53μm的钛镍合金粉末;将所得钛镍合金粉末置于放电等离子体辅助球磨机中进行放电处理,对粉末进行表面改性,最后通过SLM成形,得到钛镍形状记忆合金。本发明专利技术所得钛镍形状记忆合金的相组成由CsCl型结构的B2奥氏体相、单斜结构的B19′马氏体相和Ti2Ni沉淀相组成;其微观结构包括纳米级的胞状晶和微米尺寸的树枝晶,且胞状晶和树枝晶呈现层状交替分布。具有独特的组织结构、近全致密、超高性能的特点。

A 4D Printing Method for Ti-Ni Shape Memory Alloy and Its Application

The invention belongs to the technical field of shape memory alloy preparation, and discloses a 4D printing method and application of TiNi shape memory alloy. Titanium-nickel alloy bars were prepared by mixing and smelting pure titanium and nickel, then alloy powder was prepared by rotating electrode atomization method, and the powder was screened to obtain Titanium-nickel alloy powder with particle size of 15-53 micron. The obtained Titanium-nickel alloy powder was discharged in a discharge plasma assisted ball mill to modify the surface of the powder. Finally, the powder was formed by SLM. Titanium-nickel shape memory alloy. The phase composition of the Ti-Ni shape memory alloy is composed of B2 austenite phase with CsCl structure, B19'martensite phase with monoclinic structure and Ti2Ni precipitation phase; the microstructure of the Ti-Ni shape memory alloy includes cellular crystals of nanometer scale and dendrites of micron size, and the cellular crystals and dendrites are distributed alternately in layers. It has unique organizational structure, near full compactness and super high performance.

【技术实现步骤摘要】
一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法及应用
本专利技术属于形状记忆合金制备
,具体涉及一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法及应用。
技术介绍
在众多的形状记忆合金中,钛镍形状记忆合金具有优异的生物相容性,广泛应用于牙列矫正丝、脊柱矫形棒、髓内针/钉、血管成形环和手术用微型钳子等生物医疗领域。同时,利用其优良的形状记忆效应和超弹性,广泛应用于管路接头、管路固定、弹簧驱动装置、温度控制器、温度传感器触发器等领域;利用其高阻尼性能,广泛应用于振动控制构件、锥形阻尼器等领域;利用其优良的耐腐蚀性能,在化工、船舶零件等领域存在应用前景。然而,对于钛镍形状记忆合金而言,采用传统工艺(熔炼铸造法、热等静压、粉末冶金法等)制备存在着较多的问题:(1)相变温度对其化学成分很敏感,在熔炼铸造中会引入杂质元素(如C、N、O等),影响其形状记忆性能;(2)钛镍记忆合金的加工性能差,降低了生产效率;(3)记忆合金的传统生产工艺成本较高,使得最终产品价格昂贵,不利于广泛使用。此外对于精密复杂钛镍合金零件,譬如多孔结构、驱动器等等,采用传统工艺存在无法成形或成形成本高等问题。因此,探索新的钛镍合金成形工艺,在不降低其性能的同时拓展其应用领域,成为急需解决的问题。4D打印是对智能材料的增材制造制备技术。4D打印多出的“D”是指时间、空间等维度,即在温度、应力等外场驱动下,智能构件的形状、性能或功能按预先设计随时间、空间变化而快速响应,实现结构功能一体化设计。因而,本专利技术提出的4D打印技术即是实现对钛镍合金粉末的选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)成形。SLM技术能按照三维数据模型直接将金属粉末在激光束的热作用下完全熔化,并凝固成形为具有良好冶金结合和较高精度的金属零件,特别适合薄壁、内腔复杂、内流道等传统加工技术难以实现的复杂薄壁精密构件的制造。同时,SLM技术熔融粉末凝固过程中具有高的冷却速率,在冷却过程中包含大范围的非平衡凝固现象,从而可细化晶粒,提高固溶度,进而使得成形件组织细小致密、成分均匀、性能优异。SLM技术还可以降低模具设计的资金投入,仅需传统制造工艺20%左右的成本和10%左右的时间即可制造出所需制件,大大提高生产效率。目前,利用SLM技术制备出高性能的钛镍合金及其零部件的成功案例鲜有报道。其制备难度包括:(1)钛镍合金机加工困难;(2)其相组成复杂,包括B2奥氏体相、B19’马氏体相、R相以及沉淀相等,且这些相热传导率低,不利于4D打印成形;(3)4D打印过程中存在一对矛盾,需要足够高的能量彻底熔化金属粉末以获得近全致密的块状材料,同时需要足够低的能量输入尽可能降低熔池与粉体间的温度梯度和残余应力以避免裂纹化倾向。在关于钛镍合金增材制造的研究中报道中(参考文献1:Prog.Mater.Sci.83(2016)630-663),适用于钛镍合金增材制造的能量通常为50-100J/mm3,相对偏低,增材制造的钛镍合金最优拉伸性能为606MPa的拉伸强度和6.8%的延伸率;针对的合金体系为Ni50.1Ti49.9(参考文献2:Mater.Sci.Eng.A724(2018)220-230),增材制造的钛镍合金最优形状记忆性能为回复角20°;针对的合金体系为Ni50.9Ti49.1(参考文献3:Sci.Rep.7(2017)46707)。有鉴于此,有必要探索出一种运用增材制造技术制备高性能钛镍形状记忆合金的方法,以拓展钛镍合金的产业化应用领域。
技术实现思路
为了解决目前无法通过4D打印技术成形高性能钛镍合金及其零件的现状,本专利技术的首要目的在于提供一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法。该方法制造速度快,生产周期短,可批量生产,也可个性化制造,还可远程操控,尤其适用于薄壁、异型、结构复杂的产品。同时有效地解决传统工艺遇到的问题,使其生产更加环保、更高效,大幅加快其应用步伐。此外,本专利技术为制备超高性能钛镍合金提供了一种新的工艺路径。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的钛镍形状记忆合金。本专利技术的再一目的在于提供上述钛镍形状记忆合金在制备眼镜框、牙列矫正丝、加压接骨板、脊柱矫形棒、驱动装置、执行元器件、复杂阻尼器、耐腐蚀设备、智能控温器件、自展开桁架、自展开通讯卫星零部件、变体航空器零部件等中的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现:一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,包括如下步骤:(1)制粉:将纯钛和纯镍进行配料、熔炼,得到钛镍合金棒材,然后通过旋转电极雾化法制取合金粉末,对粉末进行筛分处理,获得粒径为15~53μm的钛镍合金粉末;(2)粉末改性:将步骤(1)所得钛镍合金粉末置于放电等离子体辅助球磨机中进行放电处理,对粉末进行表面改性;(3)4D打印成形:将步骤(2)表面改性处理后的钛镍合金粉末通过选区激光熔化(SLM)成形,得到钛镍形状记忆合金。优选地,步骤(1)中所述钛镍合金棒材的原子百分比元素组成为:Ti44~55at.%,余量为Ni。优选地,步骤(1)中所述旋转电极雾化法的具体步骤如下:通过电极感应气雾化制粉设备将钛镍合金棒材通过电极感应加热到1250~1500℃之间;通过高纯氩气雾化棒材得到合金粉末,雾化过程压力控制在2.5~8MPa之间。优选地,步骤(2)中所述表面改性的条件为:不加入球磨介质,保护气氛为0.15~0.2MPa高纯氩气,放电电压控制在130±5V,电流控制在1.2~2A,电机转速600~1200r/min,每次放电处理持续时间为1h~2h,相邻两次放电处理的间隔为30min,放电处理次数为6~10次。优选地,步骤(3)中所述SLM成形的条件为:激光功率P≥60W,激光扫描速度ν≤200mm/s,激光扫描间距h=60~100μm,铺粉层厚t=30~60μm,且能量输入密度E(E=P/ν×h×t)介于150J/mm3≤E≤300J/mm3。采用的能量密度远远高于目前文献报道的常用低值。一种钛镍形状记忆合金,通过上述方法制备得到;所述钛镍形状记忆合金的相组成由CsCl型结构的B2奥氏体相、单斜结构的B19′马氏体相和Ti2Ni沉淀相组成;其微观结构包括纳米级的胞状晶和微米尺寸的树枝晶,且胞状晶和树枝晶呈现层状交替分布。其微观结构不同于已报道的观察到的方形晶粒、片状马氏体、细晶、和S形晶粒等(参考文献1、参考文献2、参考文献4:Mater.Charact.94(2014)189-202.参考文献5:ActaMater.144(2018)552-560.)。对于纳米级的胞状晶而言,其晶界由不连续的、尺寸为20~180nm的Ti2Ni沉淀相组成,同时内部存在大量纳米孪晶;对于微米尺寸的树枝晶而言,其内部存在高密度的位错以及弥散分布的Ti2Ni纳米颗粒相,纳米颗粒相的尺寸为5~30nm。上述钛镍形状记忆合金在制备眼镜框、牙列矫正丝、加压接骨板、脊柱矫形棒、驱动装置、执行元器件、复杂阻尼器、耐腐蚀设备、智能控温器件、自展开桁架、自展开通讯卫星零部件、变体航空器零部件等中的应用。本专利技术原理为:本专利技术通过对钛镍合金粉末进行表面改性处理,将放电等离子体引入到合金粉末中,使机械力作用和等离子体作用协同促进粉末的组织细化、活性激活等。等离子体的作用主要分为两方面:(1)等离子体的热本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,其特征在于包括如下步骤:(1)制粉:将纯钛和纯镍进行配料、熔炼,得到钛镍合金棒材,然后通过旋转电极雾化法制取合金粉末,对粉末进行筛分处理,获得粒径为15~53μm的钛镍合金粉末;(2)粉末改性:将步骤(1)所得钛镍合金粉末置于放电等离子体辅助球磨机中进行放电处理,对粉末进行表面改性;(3)4D打印成形:将步骤(2)表面改性处理后的钛镍合金粉末通过SLM成形,得到钛镍形状记忆合金。

【技术特征摘要】
1.一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,其特征在于包括如下步骤:(1)制粉:将纯钛和纯镍进行配料、熔炼,得到钛镍合金棒材,然后通过旋转电极雾化法制取合金粉末,对粉末进行筛分处理,获得粒径为15~53μm的钛镍合金粉末;(2)粉末改性:将步骤(1)所得钛镍合金粉末置于放电等离子体辅助球磨机中进行放电处理,对粉末进行表面改性;(3)4D打印成形:将步骤(2)表面改性处理后的钛镍合金粉末通过SLM成形,得到钛镍形状记忆合金。2.根据权利要求1所述的一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,其特征在于:步骤(1)中所述钛镍合金棒材的原子百分比元素组成为:Ti44~55at.%,余量为Ni。3.根据权利要求1所述的一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,其特征在于步骤(1)中所述旋转电极雾化法的具体步骤如下:通过电极感应气雾化制粉设备将钛镍合金棒材通过电极感应加热到1250~1500℃之间;通过高纯氩气雾化棒材得到合金粉末,雾化过程压力控制在2.5~8MPa之间。4.根据权利要求1所述的一种钛镍形状记忆合金的4D打印方法,其特征在于步骤(2)中所述表面改性的条件为:不加入球磨介质,保护气氛为0.15~0.2MPa高纯氩气,放电电压控制在130±5V,电流控制在1.2~2A,电机转速600~1200r/min,每次放电处理持续时间为...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨超卢海洲马宏伟
申请(专利权)人:华南理工大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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