激光選區(qū)熔化成形NiTi形狀記憶合金技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、Ni-Ti系形狀記憶合金擁有豐富的相變過程、優(yōu)異的形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能以及良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性和生物相容性，近年來，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、工業(yè)自動化、儀器儀表及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其成形方法主要分為熔鑄機加法和粉末冶金法，前者在熔煉和機械加工過程中容易引入C、O等雜質(zhì)元素且合金冷加工性能差，后者則需借助模具生產(chǎn)顯著增加制造成本且零件力學(xué)性能較差，而激光選區(qū)熔化技術(shù)結(jié)合增材和熔融的特點可以有效解決NiTi合金成形的難題。考慮

2、到Ni-Ti原子比會顯著影響近等原子比NiTi合金的馬氏體相變和形狀記憶性能，Ni、Ti混合粉末作為原材料可快速調(diào)節(jié)NiTi合金相關(guān)性能，然而國內(nèi)外關(guān)于Ni、Ti混合粉末的激光選區(qū)熔化成形的相關(guān)研究幾乎沒有。因此，本文對激光選區(qū)熔化成形NiTi形狀記憶合金的成形質(zhì)量、Ni-Ti反應(yīng)過程、組織特征和演變機制、相變行為以及形狀記憶效應(yīng)進行了深入研究。主要結(jié)果總結(jié)如下：
　　本文首先研究了SLM制造的NiTi合金試樣的成形質(zhì)量。NiTi

3、復(fù)合粉末SLM成形的單熔覆道具有明顯的分層特征，且成分分布不均勻，通過橫向搭接重熔可提高成分均勻性。通過單因素實驗獲得關(guān)鍵工藝參數(shù)激光功率和掃描速度的優(yōu)化的區(qū)間分別為160~200W和5~25m/min，此外還需將線能量密度E控制在0.38~1.44J/mm之間方可獲得外觀無缺陷的NiTi合金試樣。宏觀裂紋是NiTi合金SLM成形的重要缺陷，主要來源于激光加工過程中的熱應(yīng)力誘導(dǎo)下微觀裂紋沿富鎳區(qū)的擴展。此外，NiTi合金試樣成分會偏離設(shè)

4、計成分，其中鈦元素的損失明顯比鎳元素大，其主要的原因在于金屬粉末的直接蒸發(fā)和成形過程中單質(zhì)原子粉末的直接逃逸。
　　SLM成形的NiTi合金試樣的物相組成和組織結(jié)構(gòu)是各項性能的基礎(chǔ)。在室溫下，各工藝參數(shù)下成形試樣的物相組成的主要部分都是NiTi相的兩種形式B2和B19′，這是試樣具有形狀記憶效應(yīng)的前提條件。但物相構(gòu)成和組織結(jié)構(gòu)仍受到線能量密度的顯著影響，可分為三類：高能量密度下成形的試樣晶粒細(xì)小，主相NiTi（B2和B19′）晶粒

5、凝固后Ti2Ni相在其縫隙中凝固；中等能量密度下成形的試樣晶粒偏大，幾乎全部為NiTi相；低能量密度下成形試樣中存在較多的未熔物和雜質(zhì)相，且NiTi相的晶界也不明顯。
　　根據(jù)Ni、Ti混合粉末單熔覆道的微觀形貌可見，單質(zhì)Ni粉末和單質(zhì)Ti粉末組成的復(fù)合粉末SLM成形機理與NiTi預(yù)合金化粉末的機理存在顯著差別，元素間的化學(xué)反應(yīng)及熔池攪拌效應(yīng)對沉積層成分及均勻性影響顯著。結(jié)合成形后NiTi合金的組織特征及SLM“線-面-體”的加工

6、原理，單模激光器帶來的高功率密度激光束穿透多層熔覆層，并實現(xiàn)多次重熔的工藝特征對NiTi合金成分均勻性貢獻很大。溫度場的模擬結(jié)果也證明了多次重熔的重要性，同時指出小孔效應(yīng)是促使成分均勻化的另外一個原因。
　　NiTi合金試樣的相變行為受物相和組織結(jié)構(gòu)的影響很大。高線能量密度下獲得的細(xì)小晶粒和低殘余應(yīng)力試樣具有明顯的馬氏體相變特征；降低一定程度的線能量密度，試樣晶粒粗大，NiTi相富鎳且內(nèi)部殘余應(yīng)力巨大，抑制相變行為的發(fā)生；低能量密

7、度下成形的試樣直接形成了雜質(zhì)相而導(dǎo)致局部區(qū)域會出現(xiàn)一定量的平衡NiTi相，而且宏觀裂紋釋放了部分殘余應(yīng)力，改善了馬氏體相變環(huán)境。即三種表現(xiàn)形式：強相變行為，異常相變行為和弱相變行為。
　　盡管具有氣孔、裂紋等缺陷，但本文制造的絕大多數(shù)NiTi試樣均具有形狀記憶效應(yīng)。隨著預(yù)變形量的增大，各成形試樣的形狀回復(fù)率都下降。其中預(yù)變形量為1％時所有試樣在加熱到150℃以上后均可完全回復(fù)到初始狀態(tài)，超過1%的預(yù)變形量則無法完全回復(fù)。形狀回復(fù)率

8、和彎曲性都比較好的SLM試樣為激光功率180W成形的NiTi合金，預(yù)變形量達(dá)到6%時回復(fù)率仍在85%以上。
　　與傳統(tǒng)的鑄造工藝、粉末冶金工藝相比，采用SLM成形的NiTi合金在馬氏體相變溫度、相變區(qū)間等主要技術(shù)參數(shù)方面具有非常良好的參數(shù)值。特別是采用SLM成形的NiTi合金，相變能量最高達(dá)到27.7J/g，最低也有19.6J/g，顯示出非常優(yōu)秀的特征，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鑄造工藝和粉末冶金工藝制備的NiTi合金相變能量。證明SLM成形技