CN111893348B - 一种镍钛合金材料的制备方法 - Google Patents

一种镍钛合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍钛合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将镍钛合金材料置于密闭容器中在900～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为50at.％～55at.％；(2)将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1120～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。本发明的制备方法针对镍含量在50at.％～55at.％的镍钛合金材料，将经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料进行两个阶段的高温高压处理，并且限定高温高压处理的温度和压力，消除了经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中的残余单质相、孔隙和微裂纹，提升了产品质量。

Description

一种镍钛合金材料的制备方法
技术领域
本发明属于合金材料制备方法领域，具体涉及一种镍钛合金材料的制备方法。
背景技术
镍钛(NiTi)合金根据镍/钛元素含量不同，表现出多种优异性能，例如，近等原子比的镍钛合金具有优异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、高耐腐蚀性及优良的生物相容性；而NiTinol 60(60wt％Ni-40wt％Ti)合金具有高硬度和极强的耐腐蚀性，上述特性使其在航空航天、生物医疗、机械工程、军工装备等领域具有广泛的应用。然而，镍钛合金熔点较高、化学活性大、机械加工能力差，常规的熔炼和粉末冶金方法难以制备大尺寸、形状复杂的器件，严重制约了镍钛合金的应用推广。近年来，以选区激光熔化为代表的增材制造(3D打印)技术发展迅速，借助计算机辅助，通过逐层堆积的方式，激光增材制造可实现金属制品的无模型快速近净成形，为制备大尺寸、复杂形状的镍钛合金零部件提供了新途径。
目前，激光增材制造镍钛合金粉末主要可分为预合金粉末、复合粉末和元素混合粉末。预合金粉末主要通过气雾化、等离子旋转电极雾化等方法制备，3D打印后零部件性能较好，然而，该类型粉末成本较高，且可选择的商用成分牌号较少；复合粉末则是通过将镍/钛元素粉末高能球磨或射频等离子合成制备而成，内部含有第二相和镍/钛单质相；元素混合粉末则可根据需求，配置镍、钛单质粉末。然而，后两种粉末虽然成本较低，且原料中镍/钛元素易于调整，但在打印过程中会残余镍/钛单质相，且容易产生第二相和微裂纹，严重影响零部件质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种镍钛合金材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种镍钛合金材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于密闭容器中在900～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为50at.％～55at.％；
(2)将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1120～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。
上述方法针对镍含量在50at.％-55at.％的镍/钛元素混合粉末为原料经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料，将经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料进行两个阶段的高温高压处理，并且限定高温高压处理的温度和压力，消除了经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中残余单质相、孔隙和微裂纹，提升了产品质量。而且发明人通过研究发现，仅仅通过一个阶段的高温高压热处理，即在900～1050℃温度范围内对材料施加150～180MPa均匀等静压力，保温保压4小时以上，通过扩散反应，可以有效消除元素混合粉末在选区激光熔化过程中残余的镍/钛单质相和第二相，且能部分消除零件内部孔隙，但是一个阶段的高温高压热处理不能完全消除样品内部微裂纹。只有继续升温加压至120～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时，使镍钛合金中生成液相，在高温高压作用下，弥合残余微裂纹，从而得到内部致密、微观组织均匀的镍钛合金零件。
优选地，所述步骤(1)中，将镍钛合金材料置于密闭容器中在1000～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时。
发明人通过研究发现，当步骤(1)中，将镍钛合金材料置于密闭容器中在1000～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时时，上述方法对经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中残余单质相、孔隙和微裂纹的消除效果更好，产品质量更高。
优选地，所述步骤(2)中，将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1130～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时。
发明人通过研究发现，当步骤(2)中，将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1130～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时时，上述方法对经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中残余单质相、孔隙和微裂纹的消除效果更好，产品质量更高。
优选地，所述步骤(1)和步骤(2)在同一密闭容器中进行，步骤(1)处理结束后通过升温和加压达到所述步骤(2)的温度和压力条件。
优选地，所述升温速率为10～20℃/min。
优选地，所述密闭容器为热等静压缸体。
优选地，所述步骤(1)中将镍钛合金材料置于30～60MPa的密闭容器中，升温同时加压至900～1050℃和150～180MPa下保温保压。
优选地，所述升温速率为10～20℃/min。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种镍钛合金材料的制备方法，本发明的镍钛合金材料的制备方法针对镍含量在50at.％～55at.％的镍/钛元素混合粉末为原料经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料，将经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料进行两个阶段的高温高压处理，并且限定高温高压处理的温度和压力，消除了经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中残余单质相、孔隙和微裂纹，提升了产品质量。
附图说明
图1为本发明对比例的一种镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。
图2为本发明对比例的一种镍钛合金材料的制备方法制备得到的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。
图3为本发明实施例的一种镍钛合金材料的制备方法制备得到的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。
图4为对比例的一种镍钛合金材料的制备方法制备得到的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
作为本发明实施例的一种镍钛合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于30MPa的热等静压缸体中，以20℃/min升温至1050℃，同时热等静压缸体气压加压至180MPa，保温保压4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为55at.％；
(2)继续升温加压，以20℃/min升温至1120℃，同时热等静压缸体气压加压至200MPa，保温保压1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。
实施例2
作为本发明实施例的一种镍钛合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于60MPa的热等静压缸体中，以10℃/min升温至1000℃，同时热等静压缸体气压加压至150MPa，保温保压4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为52at.％；
(2)继续升温加压，以10℃/min升温至1130℃，同时热等静压缸体气压加压至180MPa，保温保压1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。
实施例3
作为本发明实施例的一种镍钛合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于50MPa的热等静压缸体中，以15℃/min升温至900℃，同时热等静压缸体气压加压至160MPa，保温保压4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为50at.％；
(2)继续升温加压，以15℃/min升温至1140℃，同时热等静压缸体气压加压至180MPa，保温保压1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。
对比例1
作为本发明对比例的一种镍钛合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于30MPa的热等静压缸体中，以20℃/min升温至1050℃，同时热等静压缸体气压加压至180MPa，保温保压4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为55at.％。
对比例2
作为本发明对比例的一种镍钛合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于30MPa的热等静压缸体中，以20℃/min升温至1140℃，同时热等静压缸体气压加压至180MPa，保温保压5小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为55at.％。
效果例1
对实施例1、对比例1镍钛合金的制备方法制备得到的镍钛合金和以及作为对照组的镍钛合金进行扫描电子显微镜微观图，对照组的镍钛合金为以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备。
结果如图1-图4。图1对照组镍钛合金材料，图2为对比例1的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。图3为实施例1的一种镍钛合金材料的制备方法制备得到的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。图4为对比例2的一种镍钛合金材料的制备方法制备得到的镍钛合金材料的扫描电子显微镜微观图。
由图1-图3可知，经过选区激光熔化制备的镍钛合金材料中残余单质相、孔隙和微裂纹。对比例1仅仅通过一个阶段的高温高压热处理，即在900～1050℃温度范围内对材料施加150～180MPa均匀等静压力，保温保压4小时以上，通过扩散反应，可以有效消除元素混合粉末在选区激光熔化过程中残余的镍/钛单质相和第二相，且能部分消除零件内部孔隙但是一个阶段的高温高压热处理不能完全消除样品内部微裂纹。只有继续升温加压至1120～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时，结合两个高温高压处理阶段，才能使镍钛合金中生成液相，在高温高压作用下，弥合残余微裂纹，从而得到内部致密、微观组织均匀的镍钛合金零件。由图4可知，直接升温至1140℃并在1140℃下保温5小时，会导致过多的液相生成，反而产生更多的孔隙。因此，分阶段升温才能够实现发明的目的。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍钛合金材料置于密闭容器中在900～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时；所述镍钛合金材料以镍和钛元素混合粉末为原料经选区激光熔化制备，所述镍和钛元素混合粉末中的镍含量为50at.％～55at.％；
(2)将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1120～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时；自然冷却得到所述选区激光熔化制备镍钛合金材料。
2.根据权利要求1所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将镍钛合金材料置于密闭容器中在1000～1050℃和150～180MPa下保温保压不少于4小时。
3.根据权利要求1所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤(1)处理后的镍钛合金材料置于密闭容器中在1130～1140℃和180～200MPa下保温保压不少于1小时。
4.根据权利要求1所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)在同一密闭容器中进行，步骤(1)处理结束后通过升温和加压达到所述步骤(2)的温度和压力条件。
5.根据权利要求4所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述升温速率为10～20℃/min。
6.根据权利要求1所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述密闭容器为热等静压缸体。
7.根据权利要求1所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中将镍钛合金材料置于30～60MPa的密闭容器中，升温同时加压至900～1050℃和150～180MPa下保温保压。
8.根据权利要求7所述的镍钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述升温速率为10～20℃/min。
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