CN111979466A - 一种形状记忆合金及其激光3d打印方法 - Google Patents

一种形状记忆合金及其激光3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种形状记忆合金，由Ni、Ti和Nb组成。一种形状记忆合金的激光3D打印方法，第一步，取粒径为150‑300目的球形Ni、Ti和Nb单质粉末混合均匀，其中Ni、Ti和Nb的配比按上述任意一种形状记忆合金的参数配比；第二步，利用激光3D打印装置逐层成型记忆合金构件；第三步，将得到的记忆合金构件在惰性气体的保护下，在温度为300‑1000℃下保持2‑15h，然后随炉冷却，完成记忆合金构件的制造。本发明通过Ni、Ti和Nb质量百分比的合理配比，选取特定的粒径得到混合粉末，将其放入到激光3D打印装置中，研究仅适用该形状记忆合金混合粉末的装置参数，实现了形状记忆合金的激光3D打印，可高效、低成本地成型具有复杂形状的形状记忆合金构件。

Description

一种形状记忆合金及其激光3D打印方法
技术领域
本发明涉及形状记忆合金成形领域，尤其涉及一种形状记忆合金及其激光3D打印方法。
背景技术
形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一种具有形状记忆效应的合金。形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)是指合金在某一低温状态下，经过变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以下时，材料又恢复到初始形状的现象。这种记忆效应主要与一种特殊的马氏体相变——热弹性马氏体相变有关。即奥氏体状态下的材料降温至马氏体相变开始温度(Ms)以下，发生马氏体相变，到相变结束温度(Mf)，完全转变为马氏体，对该状态下的材料施加变形后卸载，当温度升高至As以上，发生马氏体逆相变，转变为奥氏体状态，低温产生的变形得以回复。
传统NiTi基形状记忆合金加工工艺中熔炼工艺加工易污染、周期长、成本高；铸锭开坯加工易污染，变形抗力大、缺口敏感性突出，加工困难且效率低、形状简单；热轧和温轧加工的氧化皮增加影响材质，加工硬化；冷加工的性能都不好，易加工硬化。所以，现急需采用新的加工方式去加工NiTi基形状记忆合金，实现从金属原料到复杂结构金属制品的无模具、快速、近净成形。
中国专利，专利号为“201710229361.7”，专利名称为“钨铜合金的激光3D打印方法”的发明专利，公开了一种合金的激光3D打印方法，但钨铜合金与NiTi基形状记忆合金的材料属性上有本质不同，所以，钨铜合金的激光3D打印方法与NiTi基形状记忆合金的激光3D打印方法也完全不同，现研究一套适用于NiTi基形状记忆合金的激光3D打印方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种形状记忆合金及其激光3D打印方法，解决传统形状记忆合金加工工艺加工效率低、形状简单的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种形状记忆合金，由Ni、Ti和Nb组成。
进一步地，其中Ni、Ti和Nb的质量百分比为，Ni：40％-50％，Ti：30％-40％，Nb：10％-30％。
再进一步的，其中Ni、Ti和Nb的质量百分比为，Ni：48.4％，Ti：36.9％，Nb：14.7％。
一种形状记忆合金的激光3D打印方法，
第一步，取粒径为150-300目的球形Ni、Ti和Nb单质粉末混合均匀，其中Ni、Ti和Nb的配比按上述任意一种形状记忆合金的参数配比；
第二步，利用激光3D打印装置逐层成型记忆合金构件；
第三步，将得到的记忆合金构件在惰性气体的保护下，在温度为300-1000℃下保持2-15h，然后随炉冷却，完成记忆合金构件的制造。
进一步地，第二步中的激光3D打印装置包括真空手套箱和设置在所述真空手套箱内的导热铜板、导热硅胶与基板；所述导热铜板、导热硅胶与基板依次叠加设置在工作台上，所述导热铜板通过加热液体导管通入加热液体；所述真空手套箱外部设置有激光器和送粉器，所述激光器通过光纤连接到激光熔覆头，所述送粉器上方设置有送粉桶并通过送粉管将形状记忆合金混合粉末导入到所述激光熔覆头内，形状记忆合金混合粉末在激光束的照射下形成形状记忆合金构件。
再进一步的，第二步中，所述激光3D打印装置在打印时的参数是，激光功率：1000W-2000W，扫描速度：800-1200mm/min，激光光斑直经：1-5mm，打印厚度：0.1-1mm，送粉量：20-40r/min，环境保护气体：氩气，扫描方式：双向扫描，基板材料：钛合金，基板预热温度：0-300℃。
再进一步的，所述激光3D打印装置在打印时的参数是，激光功率为1500W，扫描速度为900mm/min，激光光斑直径为5mm，打印层厚为0.3mm，基板预热温度为300℃。
进一步的，第三步中，退火时，将得到的记忆合金构件在惰性气体的保护下，在温度为950℃下保持15h，然后随炉冷却，完成记忆合金构件的制造。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
本发明通过Ni、Ti和Nb质量百分比的合理配比，选取特定的粒径得到混合粉末，将其放入到激光3D打印装置中，研究仅适用该形状记忆合金混合粉末的装置参数，实现了形状记忆合金的激光3D打印，克服了铸造法成型形状记忆合金构件效率低和形状简单的缺点，可高效、低成本地成型具有复杂形状的形状记忆合金构件。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本方法发明中所使用的激光3D打印装置的结构示意图；
图2为本方法发明的步骤流程图；
图3为本方法发明得到的形状记忆合金构件的宏观形貌图；
图4为本方法发明得到的形状记忆合金构件在室温下的压缩力学曲线；
图5为对方法本发明得到的形状记忆合金构件试样的DSC曲线；
附图标记说明：1、真空手套箱；2、激光熔覆头；3、激光束；4、形状记忆合金混合粉末；5、形状记忆合金构件；6、基板；7、导热硅胶；8、导热铜板；9、加热液体导管；10、工作台；11、激光器；12、光纤；13、送粉器；14、送粉桶；15、送粉管。
具体实施方式
激光3D打印是近几年来出现的一类利用计算机辅助的精密制造技术，又称为增材制造(AM)。金属增材制造是按照数值化模型，通过连续堆积方式，实现从金属原料到复杂结构金属制品的无模具、快速、近净成形。AM制备复杂、不同尺寸NiTi基记忆合金零件的能力增加了其潜在应用，现对NiTi基形状记忆合金的激光3D打印方法进行研究，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
本形状记忆合金由Ni、Ti和Nb组成，其中Ni、Ti和Nb的质量百分比为Ni：40％-50％，Ti：30％-40％，Nb：10％-30％，而本具体实施例中Ni、Ti和Nb的质量百分比为，Ni：48.4％，Ti：36.9％，Nb：14.7％，采用该原料的配比，最终得到的合金具有宽滞后的记忆效应。再将其制作成NiTi基形状记忆合金时采用如下方法：
如图1所示，一种形状记忆合金的激光3D打印方法，其采用激光3D打印装置具体包括真空手套箱1，真空手套箱1内底部安装有工作台，工作台上依次安装有导热铜板8、导热硅胶7与基板6。述导热铜板8通过加热液体导管9通入加热液体，通过导热铜板、导热硅胶的导热作用，使基板加热。所述真空手套箱1外部安装有激光器11，所述激光器11通过光纤连接到激光熔覆头2，使激光束到达激光熔覆头内。所述真空手套箱1外部安装有送粉器13，所述送粉器13上方安装有送粉桶14并通过送粉管15将形状记忆合金混合粉末4导入到所述激光熔覆头2内。形状记忆合金混合粉末4一层层地堆覆在基板上，在激光束3的照射下形成形状记忆合金构件5。
如图2所示，一种形状记忆合金的激光3D打印方法分为三步。
第一步，将质量百分比为Ni：48.4％，Ti：36.9％，Nb：14.7％，粒径为150-300目的记忆合金混合粉末混合均匀，并放置到激光3D打印装置的送粉器13的送粉桶14内。
第二步，采用上述激光3D打印装置，其中本方法中激光3D打印装置具体地基板6的厚度采用10mm，材质为钛合金。导热铜板8内部接通温度为室温的循环流动水，将温度传递给导热硅胶7，从而预热基板6。利用计算机构件建三维实体模型，设沿Z向生成每层厚度为0.3mm的层状模型以及各层扫描路径程序。用于本成份的NiTi基形状记忆合金激光合成的3D打印装置在打印时的参数可以是，激光功率：1000W-2000W，扫描速度：800-1200mm/min，激光光斑直经：1-5mm，打印厚度：0.1-1mm，送粉量：20-40r/min，环境保护气体：氩气，扫描方式：双向扫描，基板材料：钛合金，基板预热温度：0-300℃。本具体实施例中所述激光3D打印装置在打印时的参数采用激光功率为1500W，扫描速度为900mm/min，激光光斑直径为5mm，打印层厚为0.3mm，送粉量：30r/min，基板预热温度为300℃，环境保护气体：氩气。
启动打印程序，激光束按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升0.3mm，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到记忆合金构件5。
将得到的形状记忆合金构件5移到加热炉中，炉内有氩气保护，温度950℃，退火处理15h，随炉冷却至室温，最终完成形状记忆合金构件的制备。上述激光3D打印装置的参数设置和后续热处理工艺的选择均是本次研究的难点，采用上述原料配比、装置参数和热处理工艺才能得到具有宽滞后记忆效应的合金。
如图3所示，按照本发明的方法制作出来的形状记忆合金构件没有裂纹等缺陷。
如图4所示，按照本发明的方法制作出来的形状记忆合金构件5在室温压缩力学曲线，可见，形状记忆合金构件5的力学性能稳定，具有较高的强度，同时兼具较好的压缩塑性。
如图5所示，按照本发明的方法制作出来的形状记忆合金构件5的DSC曲线，DSC测试温度范围-150℃-100℃，先降温后升温，目的是获得奥氏体和马氏体相变曲线，从图中可以看出马氏体相变开始温度(Ms)是32℃，马氏体相变结束温度(Mf)是-2℃，奥氏体相变开始温度(As)是35℃，奥氏体相变结束温度(Af)是71℃。
从上述技术方案可以看出，本发明通过使用激光3D打印方法成型形状记忆合金构件，克服了铸造法成型形状记忆合金构件效率低和形状简单的缺点，可高效、低成本地成型具有复杂形状的形状记忆合金构件。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金，其特征在于：由Ni、Ti和Nb组成。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金，其特征在于：其中Ni、Ti和Nb的质量百分比为，Ni：40％-50％，Ti：30％-40％，Nb：10％-30％。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金，其特征在于：其中Ni、Ti和Nb的质量百分比为，Ni：48.4％，Ti：36.9％，Nb：14.7％。
4.一种如权利要求1-3任意一项形状记忆合金的激光3D打印方法，其特征在于：
第一步，取粒径为150-300目的球形Ni、Ti和Nb单质粉末混合均匀；
第二步，利用激光3D打印装置逐层成型记忆合金构件；
第三步，将得到的记忆合金构件在惰性气体的保护下，在温度为300-1000℃下保持2-15h，然后随炉冷却，完成记忆合金构件的制造。
5.根据权利要求4所述的形状记忆合金的激光3D打印方法，其特征在于：第二步中的激光3D打印装置包括真空手套箱(1)和设置在所述真空手套箱(1)内的导热铜板(8)、导热硅胶(7)与基板(6)；所述导热铜板(8)、导热硅胶(7)与基板(6)依次叠加设置在工作台(10)上，所述导热铜板(8)通过加热液体导管(9)通入加热液体；所述真空手套箱(1)外部设置有激光器(11)和送粉器(13)，所述激光器(11)通过光纤连接到激光熔覆头(2)，所述送粉器(13)上方设置有送粉桶(14)并通过送粉管(15)将形状记忆合金混合粉末(4)导入到所述激光熔覆头(2)内，形状记忆合金混合粉末(4)在激光束(3)的照射下形成形状记忆合金构件(5)。
6.根据权利要求5所述的形状记忆合金的激光3D打印方法，其特征在于：第二步中，所述激光3D打印装置在打印时的参数是，激光功率：1000W-2000W，扫描速度：800-1200mm/min，激光光斑直经：1-5mm，打印厚度：0.1-1mm，送粉量：20-40r/min，环境保护气体：氩气，扫描方式：双向扫描，基板材料：钛合金，基板预热温度：0-300℃。
7.根据权利要求6所述的形状记忆合金的激光3D打印方法，其特征在于：所述激光3D打印装置在打印时的参数是，激光功率为1500W，扫描速度为900mm/min，激光光斑直径为5mm，打印层厚为0.3mm，基板预热温度为300℃。
8.根据权利要求4所述的形状记忆合金的激光3D打印方法，其特征在于：第三步中，退火时，将得到的记忆合金构件在惰性气体的保护下，在温度为950℃下保持15h，然后随炉冷却，完成记忆合金构件的制造。
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