CN105268973A

CN105268973A - 一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法

Info

Publication number: CN105268973A
Application number: CN201510723029.7A
Authority: CN
Inventors: 刘立辉
Original assignee: Shenyang Hainaxin Technology Co Ltd
Current assignee: Shenyang Hainaxin Technology Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明属于金属材料成形和制造技术领域，具体涉及一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工。

Description

一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法

技术领域

本发明属于金属材料成形和制造技术领域，具体涉及一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法。

背景技术

钛镍基形状记忆合金一直以来是国内外重点研究的功能合金材料,近年来，国际上更是每年都召开其学术会议讨论交流对其研究的理论原理成果，组织性能，加工方法和生产技术，我国以西北有色金属研究院，中科院沈阳金属研究所，天津大学等高等院校和科研院所也进行了大量的理论研究和生产工艺研究，取得了众多的科研成果和专利技术，钛镍基记忆合金应用上，在航空航天部件；医学医疗领域的血管支架，矫形植入物；工业上的弹簧，管路连接件；生活日用品上恒温阀，眼镜架等广泛使用，目前，钛镍基记忆合金应用主要使用其两大功能：形状记忆功能和超弹性，但其另一个功能高阻尼特性国内外研究和使用的很少，这是因为，钛镍基合金的形状记忆性能和超弹性除成分决定马氏体相变点外，还取决于材料的热处理和冷加工变形量，常规的生产制造只能主要生产钛镍基合金的金属丝材和管，板等简单几何形状加工材料和用其生产的网，弹簧，片等制品和小部件，对于使用该合金阻尼性能的形状复杂的部件来说，由于热处理时冷却速度各部分不一致造成组织性能不均衡，影响其使用领域；钛镍基形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变，形状记忆合金中具有两种相：高温相奥氏体相，低温相马氏体相，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系，钛镍基记忆合金的超弹性(伪弹性）是指当形状记忆合金在高温相奥氏体状态下受到外力发生较大变形，去除外力后，大变形完全恢复，但是在变形过程中，应力应变曲线并不是线性的，会产生耗散能，钛镍基记忆合金的高阻尼特性是由于合金材料的内耗产生的，内耗做为材料的一种能量耗散系数，像材料的其他机械性能一样成为设计结构材料的一个重要参数，形状记忆合金的高阻尼性能主要源于界面移动的滞后性，这一界面包括不同马氏体变体的界面，孪晶界和位错等，国内外的研究表明Ti50Ni50(原子百分比，下同）为基础的钛镍合金，加入2%--5%的铜代替镍原子，其耐蚀性，疲劳性能和高阻尼性能非常好，前不久德国科学家发现了其极高的疲劳性能，喷敷在其他金属上可以制造智能新材料，钛镍合金的高阻尼特性对于军工，舰船，民用的叶片和桨类部件来说，减震，减低噪音意义十分重大，但是，钛镍记忆合金的化学成分要求十分苛刻，低间隙杂质的含量要求极低，除原料要求严格外，该合金的熔炼方法对其性能影响很大，国内外熔炼大多采用真空感应炉和水冷铜坩埚真空感应炉熔炼该合金，其中由于该合金化学活性大，真空感应炉的坩埚材料熔炼过程中对其有污染，所以O,N.H的控制很困难，稳定性差，这就是国内该类合金一直不稳定的原因，而水冷铜坩埚真空感应炉虽然能够解决这一问题，但是由于其容量有限，无法生产大铸锭和浇注大的部件，对于舰艇用的几百公斤甚至几吨的螺旋桨来说，是根本无法制造的，对于一般的增材制造（3D打印）来说，该合金要生产其成分准确，杂质含量低的均匀钛镍合金粉末是很困难的，现有的工艺方法生产其粉末成分和性能都无法达到功能部件3D打印的要求，因此国内外尚未见到其报导。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法。

本发明的基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，要点在于包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制。

首先钛镍基记忆合金的熔炼：钛镍基记忆合金的熔炼是生产其合金丝的关键环节；本发明采取了和传统的真空感应炉和水冷铜坩埚真空感应炉熔炼不同的熔炼工艺路线，即：真空自耗凝壳炉+真空自耗熔炼炉（VAR）二次熔炼的工艺路线；其优点为，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工；熔炼过程的成分控制是钛镍基记忆合金成败的核心点；精准的合金配比才能保证其组织和性能，同时还要考虑到激光熔覆成形时各个合金组元的烧损比率；熔炼用原材料需采用高纯度的钛，镍，铜（铌，锆），要求如下：Ti≧99.9%,Ni≧99.9%,Cu≧99.9%(Nb,Zr≧99.9%),本发明要加入0.002%—0.005%（重量百分数）的纯稀土金属；熔炼步骤为：①配料要严格，用纯钛棒（板），纯镍棒（板），纯铜丝（纯铌，纯锆丝）根据真空自耗凝壳炉的容量对自耗电极的尺寸规格要求，在氩气保护下用等离子弧焊机组焊成自耗电极；②确定真空自耗凝壳炉的熔炼电流，电压，冷却水的水压，真空度控制在极限真空度时开始熔炼；熔炼好的熔液浇注到铸锭模具中，待冷却一定的时间后出炉；③对其铸锭进行车削扒皮，去冒口，分析其化学成分；④根据真空自耗炉的容量，把几支真空自耗凝壳炉的铸锭组焊成真空自耗炉用的大电极；⑤确定真空自耗炉的熔炼参数，电流，电压，水温，熔炼后期补缩时间；高真空或氩气保护下熔炼，需控制熔化速度，熔炼完成后需等到铸锭冷却到常温下出炉；⑥铸锭检查扒皮去冒口，全面分析其化学成分，气体杂质含量要控制在：O＜0.08%,N＜0.01，H＜0.002。

其次钛镍基记忆合金丝的制备：钛镍基记忆合金的热加工性能不是很好，因此要严格控制加热温度和加工率；

①镍基记忆合金锭的锻造开坯一般要选择大吨位的液压快锻机进行，加热要在电阻炉上进行，根据成分和铸锭尺寸的不同，确定加热温度和保温时间，经多次锻打，锻造至Φ30左右进行修磨；②精锻：把Φ30的锻棒在电炉里加热，放在旋锻机上精锻至Φ6；然后扒皮机上扒皮，修磨；③冷拉：把Φ6细棒放置大直径拉丝机上选用粉状或半液态润滑剂进行粗拉，形成圆盘状线材，根据不同线径选择不同的道次加工率和拉拔速度；经过多道次拉拔至Φ2.0左右的丝材；拉拔中间退火在真空退火炉中进行；④Φ2的丝材在自制的滚模轧丝机上进行冷轧至0.1--1.0之间成品细丝，上轴盘，为自动送丝的激光熔覆3D打印机上备用材料。

然后用钛镍基记忆合金丝作原料，激光熔覆增材制造工艺：用钛镍基记忆合金丝激光熔覆增材制造的是具有高阻尼特性的旋转桨类部件，由于其工作面是曲面，3轴的自动送丝激光熔覆设备无法满足曲面成形的要求；本发明用外购的五轴联动的加工中心改造自制了一台自动送丝激光熔覆设备；工作台行程为400×400×450，激光器为外购的连续激光器；该设备有几个系统组成：激光电源控制系统，自动送丝控制系统，五轴联动伺服传动系统，气体保护和冷却系统。

本发明主要增材生产的是桨类旋转件，近净成形，因此要根据部件的规格尺寸大小来确定使用合金丝的粗细规格；用钛镍记忆合金丝激光熔覆增材制造的步骤为：①根据要制造的部件的CAD图纸，用3Dmxs软件建模；②用Cura软件切片，然后把此程序输入到激光熔覆打印机的控制电脑中；③根据要制造部件的壁厚和部位的不同，确定熔覆速度，激光参数，送丝速度；④调定冷却用氩气的压力，流量；⑤开始激光熔覆打印；⑥冷却处理，成品修整。

最后制造部件的组织控制和变形量的控制：对钛镍基记忆合金部件来说，无论是增材制造还是减材制造的精密铸造，模锻，其组织控制是能否达到其使用功能的关键；国内外的研究表明，组织是完全马氏体相和马氏体和奥氏体混合体相时，其阻尼减振效果最好，影响组织的因素有：合金成分和冷却速度；本发明在合金中加入了微量的稀土金属，就是为了细化晶粒和调整Ms转变温度；由于桨类部件轮毂和桨叶部分壁厚差距非常大，冷却速度不一样，因此必须根据合金的热力学参数调整各部分激光熔覆速度和冷却气体的压力和流量；本发明采取了液态氩气汽化的氩气，可以调整冷却速度；对于桨类部件的桨叶部分的变形控制，本发明采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度，使其各个桨叶的组织和变形量基本一致。

本发明的有益效果是：在钛镍基记忆合金的熔炼中，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工，本发明采取了液态氩气汽化的氩气，可以调整冷却速度，采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度。

附图说明

图1为本发明的熔炼框图；

图2为本发明的制丝框图；

图3为本发明的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制。

Claims

1.一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，其特征在于包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制；首先钛镍基记忆合金的熔炼：钛镍基记忆合金的熔炼是生产其合金丝的关键环节；本发明采取了和传统的真空感应炉和水冷铜坩埚真空感应炉熔炼不同的熔炼工艺路线，即：真空自耗凝壳炉+真空自耗熔炼炉（VAR）二次熔炼的工艺路线；其优点为，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工；熔炼过程的成分控制是钛镍基记忆合金成败的核心点；精准的合金配比才能保证其组织和性能，同时还要考虑到激光熔覆成形时各个合金组元的烧损比率；熔炼用原材料需采用高纯度的钛，镍，铜（铌，锆），要求如下：Ti≧99.9%,Ni≧99.9%,Cu≧99.9%(Nb,Zr≧99.9%),本发明要加入0.002%—0.005%（重量百分数）的纯稀土金属；熔炼步骤为：①配料要严格，用纯钛棒（板），纯镍棒（板），纯铜丝（纯铌，纯锆丝）根据真空自耗凝壳炉的容量对自耗电极的尺寸规格要求，在氩气保护下用等离子弧焊机组焊成自耗电极；②确定真空自耗凝壳炉的熔炼电流，电压，冷却水的水压，真空度控制在极限真空度时开始熔炼；熔炼好的熔液浇注到铸锭模具中，待冷却一定的时间后出炉；③对其铸锭进行车削扒皮，去冒口，分析其化学成分；④根据真空自耗炉的容量，把几支真空自耗凝壳炉的铸锭组焊成真空自耗炉用的大电极；⑤确定真空自耗炉的熔炼参数，电流，电压，水温，熔炼后期补缩时间；高真空或氩气保护下熔炼，需控制熔化速度，熔炼完成后需等到铸锭冷却到常温下出炉；⑥铸锭检查扒皮去冒口，全面分析其化学成分，气体杂质含量要控制在：O＜0.08%,N＜0.01，H＜0.002；其次钛镍基记忆合金丝的制备：钛镍基记忆合金的热加工性能不是很好，因此要严格控制加热温度和加工率；

镍基记忆合金锭的锻造开坯一般要选择大吨位的液压快锻机进行，加热要在电阻炉上进行，根据成分和铸锭尺寸的不同，确定加热温度和保温时间，经多次锻打，锻造至Φ30左右进行修磨；②精锻：把Φ30的锻棒在电炉里加热，放在旋锻机上精锻至Φ6；然后扒皮机上扒皮，修磨；③冷拉：把Φ6细棒放置大直径拉丝机上选用粉状或半液态润滑剂进行粗拉，形成圆盘状线材，根据不同线径选择不同的道次加工率和拉拔速度；经过多道次拉拔至Φ2.0左右的丝材；拉拔中间退火在真空退火炉中进行；④Φ2的丝材在自制的滚模轧丝机上进行冷轧至0.1--1.0之间成品细丝，上轴盘，为自动送丝的激光熔覆3D打印机上备用材料；然后用钛镍基记忆合金丝作原料，激光熔覆增材制造工艺：用钛镍基记忆合金丝激光熔覆增材制造的是具有高阻尼特性的旋转桨类部件，由于其工作面是曲面，3轴的自动送丝激光熔覆设备无法满足曲面成形的要求；本发明用外购的五轴联动的加工中心改造自制了一台自动送丝激光熔覆设备；工作台行程为400×400×450，激光器为外购的连续激光器；该设备有几个系统组成：激光电源控制系统，自动送丝控制系统，五轴联动伺服传动系统，气体保护和冷却系统；本发明主要增材生产的是桨类旋转件，近净成形，因此要根据部件的规格尺寸大小来确定使用合金丝的粗细规格；用钛镍记忆合金丝激光熔覆增材制造的步骤为：①根据要制造的部件的CAD图纸，用3Dmxs软件建模；②用Cura软件切片，然后把此程序输入到激光熔覆打印机的控制电脑中；③根据要制造部件的壁厚和部位的不同，确定熔覆速度，激光参数，送丝速度；④调定冷却用氩气的压力，流量；⑤开始激光熔覆打印；⑥冷却处理，成品修整；最后制造部件的组织控制和变形量的控制：对钛镍基记忆合金部件来说，无论是增材制造还是减材制造的精密铸造，模锻，其组织控制是能否达到其使用功能的关键；国内外的研究表明，组织是完全马氏体相和马氏体和奥氏体混合体相时，其阻尼减振效果最好，影响组织的因素有：合金成分和冷却速度；本发明在合金中加入了微量的稀土金属，就是为了细化晶粒和调整Ms转变温度；由于桨类部件轮毂和桨叶部分壁厚差距非常大，冷却速度不一样，因此必须根据合金的热力学参数调整各部分激光熔覆速度和冷却气体的压力和流量；本发明采取了液态氩气汽化的氩气，可以调整冷却速度；对于桨类部件的桨叶部分的变形控制，本发明采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度，使其各个桨叶的组织和变形量基本一致。