一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法技术

本发明专利技术属于铜基形状记忆合金的制备领域，并公开了一种增材制造原位制备任意铜基形状记忆合金的方法。该方法包括下列步骤：(a)制备包含所需零件中元素的混合粉末作为原料；(b)以铜合金作为成形基板，采用电子束或激光束进行选区熔化技术制备所需的铜基记忆合金零件，该过程中，混合粉末中各成分均被瞬间被加热各自的熔点以上无差别熔化为液相，并在液相下发生原位反应扩散，其中，原子间反应快、扩散时间短，避免了成分偏析；另外，由于冷却速度快，由主体元素形成的母相未被分解形成脆性的γ2相，而是形式马氏体相，从而提高所需产品的记忆性能以及超弹性。通过本发明专利技术，快速制备任意形状、致密度高、记忆性能、超弹性和韧性高的产品。

A Method of In-situ Preparing Copper-based Shape Memory Alloys by Adding Materials

The invention belongs to the field of preparation of copper-based shape memory alloys, and discloses a method for in-situ preparation of arbitrary copper-based shape memory alloys by adding materials. The method includes the following steps: (a) preparing the mixed powder containing the elements required in the parts as raw materials; (b) using copper alloy as forming substrate and selective melting by electron beam or laser beam to prepare the required copper-based memory alloy parts. In this process, the components of the mixed powder are instantaneously heated above their melting points and melted into liquid phase without difference, and in liquid phase. In-situ reaction diffusion occurs, in which the inter-atomic reaction is fast, the diffusion time is short, and the composition segregation is avoided. In addition, due to the fast cooling speed, the parent phase formed by the main elements is not decomposed into brittle gamma-2 phase, but a martensite phase, which improves the memory performance and superelasticity of the products. The invention can rapidly prepare products with arbitrary shape, high density, memory performance, superelasticity and high toughness.

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法
本专利技术属于铜基形状记忆合金的制备领域，更具体地，涉及一种增材制造原位制备任意铜基形状记忆合金的方法。
技术介绍
铜基形状记忆合金具有良好的超弹性、双向记忆性能、高阻尼性以及廉价性等，因而被广泛的应用于民用、工业、军事、航空航天及机械制造等领域。尤其是铜基形状记忆合金的相变温度较高，使其成为高温应用(如热致动器，热传感器)的优选材料，同时合金中元素的组成的变化对于相变温度的影响较为敏感，因此又可以通过调整合金中元素的比例来满足不同应用环境中的各种温度要求，另外，其良好的可加工性为复杂形状零件的制造提供了可行性。由于铜基形状记忆合金本身的脆性在加工过程中容易引起晶间开裂，其制备工艺以及零件加工备受关注。目前铜基形状记忆合金的制备方法有两种，一种是熔铸法，将铜基形状记忆合金中各元素的块体材料，按质量比进行配料，然后在真空环境下采用电弧、感应、电子束以及等离子体熔炼制锭，然后通过热加工或冷加工的方式获得零件。但是在熔炼过程中，由于冷却速度较慢，元素的熔点以及比重差别，铸锭易发生偏析，同时冷却速率较慢还会导致脆性的γ2相析出，降低材料的力学性能。铜基形状记忆合金在热机械加工时还会导致晶粒过分长大和产生氧化层，成品率低，使得生产成本被提高。另一种制备方法是粉末冶金，主要包括普通烧结、自蔓延高温合成、热等静压和火花等离子体烧结等。其步骤为首先将粉末混合，然后用模具压胚，最后用上述方法整体烧结成形。粉末冶金方法能解决部分熔铸法所存在的问题，它克服了成分偏析和晶粒过分长大的问题，能准确控制合金成分，借助模具可成形简单的半成品零件。但是该方法制备工序复杂、周期长、可能会引入杂质。由于粉末冶金过程中烧结温度在各元素熔点以下，属于固态下制备合金，因此粉末间的间隙无法完全消除，获得铜基形状记忆合金的致密度不高，同时冷却速率较慢，晶粒仍然较为粗大，无法抑制脆性的γ2相析出，机械性能低于传统的熔铸法。由于是整体压胚烧结成形，各个部分的反应速度不一致，导致合成的铜基形状记忆合金成分不均匀。在零件成形方面，虽然铜基形状记忆合金具有良好的加工性能，但是在制备一些实用化的铜基形状记忆合金零件，如弹簧、管接头、片材等。无论是采用熔铸法还是粉末冶金的方法都必须依赖机械加工或模具才能制备，而且存在能耗大、周期长、成本高等问题。由于原位合成技术是在原料体系内部进行成形，因而具有合成成本低、产物颗粒细小且分布均匀、相表面无污染且成分调控范围大等优点，受到人们的广泛重视。由铜基形状记忆合金的相图可知，马氏体相使得合金具有形状记忆性能以及超弹性。因此铜基形状记忆合金制备的关键在于防止母相分解生成脆性的γ2相，保证马氏体相的含量。粉末冶金方法合成铜基形状记忆合金属于原位合成的一种，上述合成方法的最大难点是：难以精确控制各部分反应物的生成以及反应速度，合金内部成分存在显著差别；同时间隙过多，合金致密度不高，机械性能差；另外冷却速度慢，无法抑制脆性的γ2相析出，对材料性能产生不利影响。因此，要从根本上解决铜基形状记忆合金的合成及后续加工难题就必须探索低成本、高效的任意形状铜基形状记忆合金制备新方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种增材制造原位制备任意铜基形状记忆合金的方法，通过利用电子束或激光束原位合成铜基形状记忆合金的快速加热和快速冷却的特点，使得混合合金粉末瞬间被加热熔化，发生均匀快速的原位反应，该反应时间块，扩散时间短不会发生成分偏析，另外，由于冷却速度较高，母相不会被分解形成脆性的γ2相，而是形式马氏体相，提高了获得的铜基形状记忆合金零件的记忆性能和超弹性，且极高的冷却速率使得晶粒被细化，提高最终零件的韧性。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)将所需零件中包含的元素分为主体元素和功能元素，分别选取主体元素的和功能元素的合金粉末作为原料，将所述主体元素的粉末在熔炉中混合熔炼形成铸锭，然后采用气雾法将所述铸锭熔化获得预合金粉末，将该预合金粉末与所述功能元素的合金粉末混合均匀，以此获得混合粉末；(b)将所述混合合金粉末作为原料，以铜合金作为成形基板，采用电子束或激光束作为能量源进行选区熔化成形制备所需的铜基记忆合金零件，该过程中，所述混合粉末中各成分均被瞬间被加热各自的熔点以上无差别熔化为液相，并在液相下发生原位反应扩散，其中，原子间反应快、扩散时间短，避免成分偏析；另外，由于冷却速度快，由所述主体元素形成的母相未被分解形成脆性的γ2相，而是形式马氏体相，从而提高所述所需的铜基记忆合金零件的记忆性能以及超弹性。进一步优选地，在步骤(a)中，所述预合金粉末的粒径优选为20μm～50μm。进一步优选地，在步骤(a)中，所述主体元素的粉末在熔炉中混合熔炼优选采用多次真空熔炼，使得合金成分均匀减少偏析。进一步优选地，在步骤(a)中，所述气雾法优选按照下列步骤进行：首先将所述铸锭放入真空熔炼炉中再次熔化，并在熔化的同时通入高速氩气对熔化形成的熔液形成冲击，溶液被气体冲击分散、冷却形成粉末，然后通过筛网筛取所需粒径的粉末，以此作为预合金粉末。进一步优选地，在步骤(b)中，所述激光选区熔化中激光功率优选为200W～350W，扫描速度为800mm/s～1200mm/s，扫描间距为50μm～90μm，激光光斑直径为50μm～80μm。进一步优选地，在步骤(b)中，所述电子束选取熔化中电子束功率为1000W～1200W，线扫描速度为20mm/s～35mm/s，扫描间距为85μm～140μm。按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述所述的方法制备获得铜基形状记忆合金产品。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术采用电子束或激光束在实现铜基形状记忆合金原位制备的同时完成任意形状铜基形状记忆合金零件的制备，实现了铜基形状记忆合金材料-结构-功能一体化的制备，解决了铜基形状记忆合金复杂零件加工难的问题；2、本专利技术采用真空熔炼并气雾法制得铜基形状记忆合金预置粉末，再与纯合金粉末进行混合，获得成分更加均匀的粉末，保证反应的均匀性，获得性能符合要求的铜基形状记忆合金零件；3、本专利技术采用较大的电子束束斑直径(0.1～0.3mm)或激光光斑直径(50～80μm)，可以提高微熔池的重熔区，保证了熔池以及熔化道之间良好的搭接，减少了气孔的形成，提高了铜基形状记忆合金的致密度；4、本专利技术根据不同的增材制造技术，严格控制粉层的铺粉厚度，合适的电子束或激光成形参数，可以避免因电子束或激光能量过低，粉末不能完全熔化而形成连续且铺展开的熔化道，导致孔隙的形成，降低合金性能，也可以避免因为电子束或激光能量过大产生的裂纹、翘曲等缺陷；5、本专利技术的电子束或激光束是通过逐点逐线逐层成形，在各个熔池中成分均匀融合并反应，以完成设计形状的铜基形状记忆合金的原位合成及熔化堆积成形，无外加压力且冷却速率快，不会发生成分扩散，获得铜基形状记忆合金成分均匀且无杂质；6、本专利技术由于高能电子束或激光作用拥有快速加热和快速冷却的特点，粉末瞬间被加热到各成分的熔点以上，各成分无差别熔化，在液相下发生快速、均匀的原本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)将所需零件中包含的元素分为主体元素和功能元素，分别选取主体元素的和功能元素的合金粉末作为原料，将所述主体元素的粉末在熔炉中混合熔炼形成铸锭，然后采用气雾法将所述铸锭熔化获得预合金粉末，将该预合金粉末与所述功能元素的合金粉末混合均匀，以此获得混合粉末；(b)将所述混合合金粉末作为原料，以铜合金作为成形基板，采用电子束或激光束作为能量源进行选区熔化成形制备所需的铜基记忆合金零件，该过程中，所述混合粉末中各成分均被瞬间被加热各自的熔点以上无差别熔化为液相，并在液相下发生原位反应扩散，其中，原子间反应快、扩散时间短，避免成分偏析；另外，由于冷却速度快，由所述主体元素形成的母相未被分解形成脆性的γ2相，而是形式马氏体相，从而提高所述所需的铜基记忆合金零件的记忆性能以及超弹性。

【技术特征摘要】
1.一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)将所需零件中包含的元素分为主体元素和功能元素，分别选取主体元素的和功能元素的合金粉末作为原料，将所述主体元素的粉末在熔炉中混合熔炼形成铸锭，然后采用气雾法将所述铸锭熔化获得预合金粉末，将该预合金粉末与所述功能元素的合金粉末混合均匀，以此获得混合粉末；(b)将所述混合合金粉末作为原料，以铜合金作为成形基板，采用电子束或激光束作为能量源进行选区熔化成形制备所需的铜基记忆合金零件，该过程中，所述混合粉末中各成分均被瞬间被加热各自的熔点以上无差别熔化为液相，并在液相下发生原位反应扩散，其中，原子间反应快、扩散时间短，避免成分偏析；另外，由于冷却速度快，由所述主体元素形成的母相未被分解形成脆性的γ2相，而是形式马氏体相，从而提高所述所需的铜基记忆合金零件的记忆性能以及超弹性。2.如权利要求1所述的一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述预合金粉末的粒径优选为20μm～50μm。3.如权利要求1或2所述的一种增材制造原位制备铜基形状记忆合金的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏青松，党明珠，朱文志，田健，滕庆，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42