基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金及其制备方法与应用，所述自锁功能基元由中心的圆形螺栓和外围的六角形螺母两部分组成，圆形螺栓相区为NiTiCuZr合金低温相，六角形螺母相区为NiTi合金高温相，二者在室温下均为B2奥氏体相；螺栓相和螺母相的硬度和相变临界应力不同，加载过程中螺母相自锁螺栓相，回复过程中4D打印镍钛基合金表现出优异的超弹性。本发明专利技术镍钛基合金在更宽的温度范围和更大的应力载荷下表现出优异的超弹性，在医疗器械、汽车工业、建筑土木、航空航天等领域具有广泛的应用前景。航空航天等领域具有广泛的应用前景。航空航天等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于形状记忆合金和复合材料
，具体涉及一种基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]形状记忆合金的超弹性是指在应力场驱动下，B2奥氏体母相发生可逆的马氏体相变，从而表现出大的变形和高的回复率，可应用于医疗器械、汽车工业、航空航天以及建筑土木等领域。为了满足极端环境下严苛的服役要求，例如航空领域或海洋工程，亟需发展具有更宽服役温度窗口、更高承载能力的形状记忆合金。然而绝大部分形状记忆合金并不具备此特点(Encyclopedia of Smart Materials 4(2022)239
‑
253)。以应用最为广泛的NiTi形状记忆合金为例，NiTi合金具有显著的相变应变、优异的变形回复率以及良好的功能稳定性，但其超弹性受到相变温度和屈服应力两方面的限制(Int.J.Mater.Res.70(1979)113
‑
117)，其超弹性温度窗口约为50℃，室温左右(Scripta Metal.15(1981)287
‑
292)。本质上，只有温度高于A
f
(B2奥氏体转变结束温度)时，即在B2奥氏体相稳定存在温度区间，超弹性才能够通过自发马氏体逆相变实现变形回复；当温度介于A
f
和A
s
(B2奥氏体转变起始温度)之间，超弹性回复不完全；当温度低于A
s
时，超弹性完全丧失。因此，降低相变温度，提高B2奥氏体相稳定区间，能够扩宽超弹性服役的温度下限。另一方面，由于形状记忆合金的应力诱导马氏体相变临界应力σ
SIM
遵循Clausius
‑
Clapeyron关系，即σ
SIM
随着温度的升高而增大；当服役温度升高到导致σ
SIM
高于B2奥氏体相的屈服强度时，材料会优先发生塑性变形，位错滑移将取代应力诱导马氏体相变成为材料的主要变形机制，从而引入大量的不可回复变形。因此，增强B2奥氏体相的屈服强度，是提高超弹性服役的温度上限的办法。对于单一形状记忆合金而言，尽管通过合金化、晶粒细化、沉淀相强化等手段能够实现一定程度上超弹性的增强，但效果有限，且难以兼具上述特性，例如通过冷轧和时效处理，减小镍钛合金晶粒尺寸，引入纳米沉淀相强化基体，获得稳定的超弹性，但其回复应力仅为650MPa，服役温度窗口约为40℃(Scripta Mater.162(2019)230
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234)。
[0003]为了突破单一形状记忆合金的性能限制，丰富形状记忆合金的服役场景，可采取复合的策略，将具有更低相变温度、更高屈服强度的形状记忆合金与具有优异超弹性的镍钛形状记忆合金结合。然而，通过何种方式将二者结合，如何保证良好的界面结合质量，如何使二者协调变形，是需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术的首要目的在于提供一种基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金。
[0005]本专利技术的第二目的在于提供上述基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金的制备方法。
[0006]本专利技术的第三目的在于提供上述基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金的应用。
[0007]本专利技术的首要目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金，包括如下特征：
[0009](1)微观结构特征：基于自锁功能基元的宽温域、高承载镍钛基合金包括具有自锁功能的正六边形基元，正六边形自锁功能基元由中心的圆形螺栓和外围的六角形螺母两部分组成；
[0010](2)成分特征：自锁功能基元的螺栓相区成分为35～40at.％Ni、35～40at.％Ti、10～15at.％Cu和10～15at.％Zr的NiTiCuZr合金，螺母相区成分为50～52at.％Ni和48～50at.％Ti的NiTi合金；
[0011](3)物相特征：自锁功能基元的圆形螺栓为NiTiCuZr形状记忆合金低温相，六角形螺母为NiTi形状记忆合金高温相，二者在室温下均为B2奥氏体相；
[0012](4)功能特征：自锁功能基元的螺栓相和螺母相的硬度和相变临界应力不同，加载过程中螺母相自锁螺栓相。
[0013]优选地，所述特征(1)中自锁功能基元的螺栓相区横截面直径为200～750μm，由圆棒状晶粒构成，晶粒直径为0.5～30μm、长径比为5～20；螺母相区横截面六边形高400～950μm，由柱状晶构成，晶粒直径为10～100μm、长径比为10～30。
[0014]优选地，所述特征(3)中自锁功能基元的螺栓相区相变温度为
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160～
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120℃，螺母相区相变温度为10～40℃。
[0015]优选地，所述特征(4)中自锁功能基元的螺栓相区维氏硬度为450～650HV，螺母相区维氏硬度为150～300HV；螺栓相区相变临界应力为1000～1200MPa，螺母相区相变临界应力为450～550MPa；镍钛基合金的超弹性响应温域为
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100～100℃，承载应力为1400～1600MPa。
[0016]本专利技术的第二目的通过以下技术方案实现：
[0017]一种根据权利要求1所述的基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金的制备方法，包括以下步骤：
[0018](1)蜂窝骨架4D打印：采用4D打印系统对NiTi合金粉末打印成蜂窝型，通过退火后处理去除残余应力，并磨粒流抛光处理去除表面粘结粉末，获得NiTi蜂窝骨架；
[0019](2)挤压坯料制备：将步骤(1)所得NiTi蜂窝骨架置于紫铜包套内，将NiTiCuZr非晶合金粉末填入蜂窝骨架的通孔内，振实后密封包套，冷压成型，制得挤压坯料；
[0020](3)热挤压成型：对步骤(2)所得的挤压坯料进行热挤压，固结NiTiCuZr非晶合金粉末，实现NiTiCuZr和NiTi合金的冶金结合，随后空冷，获得基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金。
[0021]优选地，步骤(1)中所述4D打印的工艺参数为：激光功率180～250W，扫描速率800～1400mm/s，扫描间距80～120μm，铺粉层厚度30～40μm；所述退火后处理的退火温度为900～1050℃，退火时间为1～1.5h；所述磨粒流抛光处理的磨料为碳化硅，压力为80～100kg，处理时间为6～8h；所述NiTi蜂窝骨架为包含六角密堆的圆柱形通孔，任一圆孔被另外6个正六边形分布的圆孔紧密环绕，孔径为0.5～2mm，孔隙率为25～75％。
[0022]优选地，所述NiTi合金粉末通过雾化法制备，粒径为15～53μm；所述NiTiCuZr非晶
合金粉末通过雾化法制备，粒径为15～38μm。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金，其特征在于，包括如下特征：(1)微观结构特征：基于自锁功能基元的宽温域、高承载镍钛基合金包括具有自锁功能的正六边形基元，正六边形自锁功能基元由中心的圆形螺栓和外围的六角形螺母两部分组成；(2)成分特征：自锁功能基元的螺栓相区成分为35～40at.％Ni、35～40at.％Ti、10～15at.％Cu和10～15at.％Zr的NiTiCuZr合金，螺母相区成分为50～52at.％Ni和48～50at.％Ti的NiTi合金；(3)物相特征：自锁功能基元的圆形螺栓为NiTiCuZr形状记忆合金低温相，六角形螺母为NiTi形状记忆合金高温相，二者在室温下均为B2奥氏体相；(4)功能特征：自锁功能基元的螺栓相和螺母相的硬度和相变临界应力不同，加载过程中螺母相自锁螺栓相。2.根据权利要求1所述的基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金，其特征在于，所述特征(1)中自锁功能基元的螺栓相区横截面直径为200～750μm，由圆棒状晶粒构成，晶粒直径为0.5～30μm、长径比为5～20；螺母相区横截面六边形高400～950μm，由柱状晶构成，晶粒直径为10～100μm、长径比为10～30。3.根据权利要求1所述的基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金，其特征在于，所述特征(3)中自锁功能基元的螺栓相区相变温度为
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160～
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120℃，螺母相区相变温度为10～40℃。4.根据权利要求1所述的基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金，其特征在于，所述特征(4)中自锁功能基元的螺栓相区维氏硬度为450～650HV，螺母相区维氏硬度为150～300HV；螺栓相区相变临界应力为1000～1200MPa，螺母相区相变临界应力为450～550MPa；镍钛基合金的超弹性响应温域为
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100～100℃，承载应力为1400～1600MPa。5.一种根据权利要求1所述的基于自锁功能基元的宽温域、高承载4D打印镍钛基合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)蜂窝骨架4D打印：采用4D打印系统对NiTi合金粉末打印成蜂窝型，通过退火后处理去除残余应力，并磨粒流抛光处理去除表面粘结粉末，获得N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张业钦，杨超，蔡潍锶，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：