CN112658279A - 一种原位处理4d打印构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位处理4D打印构件的方法，本发明通过激光选区熔化成形后，暂停打印使当前层冷却至低温，并采用低能量输入激光重复扫描当前层原位处理区域进行超短时效作用，析出Ni4Ti3纳米沉淀物。一方面，通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间来调控Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控。另一方面，Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强强度和延展性。利用原位处理通过软/硬层交替相间组合，可极大提高材料的力学性能。这对于成型可多步变形的高性能、多功能复杂智能结构件，满足日益复杂的场景需求，推动4D打印技术发展及广泛应用具有重大作用。

Description

一种原位处理4D打印构件的方法
技术领域
本发明涉及増材制造的技术领域，尤其涉及一种原位处理4D打印构件的方法。
背景技术
随着3D打印技术的成熟发展，4D打印技术逐渐成为研究热点。4D打印是指通过智能材料特性或结构构型的主动设计并结合增材增材制造技术，使构件的形状、性能或功能在时间和空间维度上实现可控变化，实现复杂智能构件制造，以满足高端装备可控变形、变性和功能的高端应用需求。
镍钛合金由于其优异的形状记忆性能、超弹性、耐腐蚀性、生物相容性等已经被广泛应用于传感器、驱动器、医疗器械等诸多领域，是应用最广泛的形状记忆合金，同时也是4D打印技术中应用最广泛的材料之一。相比传统粉末熔炼、铸造、冷加工等成型方式，激光选区熔化成型技术能避免杂质元素(C、N、O等)引入，并能一体化直接成型形状复杂的结构件，因此该技术对于4D打印镍钛合金，实现复杂智能构件的制造具有极大应用潜力。但镍钛合金内部Ni元素与Ti元素之间的原子比(Ni/Ti比)的微小变化都会对镍钛合金的相变温度造成极大的影响(甚至0.1％Ni含量的变化将导致相变温度变化约10℃)，而镍钛合金的相变温度严重影响着其应用过程中的形状记忆性能与超弹性性能，因此精确调控镍钛合金的Ni/Ti比并提高零件性能是目前4D打印镍钛合金的难题之一。
目前常见调控镍钛合金相变温度的手段是通过调节激光选区熔化成型加工参数或后续热处理来实现的，仍需创新的调控工艺手段在调控相变温度的同时提高合金的力学性能。
激光选区熔化直接成型的富Ni镍钛合金往往需要通过后续热处理析出Ni4Ti3等纳米沉淀物来调控相变温度以及提高合金的强度与延展性。但目前的后续热处理往往仅能对整个零件进行热处理，而分段热处理方式又容易引入C、O、N等杂质元素，且该方式的热处理分段界限不够精确。对于不同部位需要不同相变温度以实现多步变形的构件，现阶段的后续热处理方式难以满足需求。同时，目前常用的固溶、时效等热处理方式需增加额外成本，延长加工周期。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种原位处理4D打印构件的方法。
本发明其基于原位热处理的理念，在激光选区熔化成型富Ni镍钛合金后，暂停打印使当前层温度冷却到100-300℃，采用低能量输入激光重复扫描当前层原位处理区域，并由热成像仪监测重复扫描过程的层内温度，使其在300-600℃之间进行超短时效作用，析出Ni4Ti3纳米沉淀物。而Ni4Ti3纳米沉淀物的析出可消耗镍钛基体的镍元素并改变Ni/Ti比，从而改变合金的相变温度。通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控。析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性；另外，采用隔3-10层进行原位处理可形成较软的层(未进行原位处理，纳米沉淀物数量较少)以及较硬的层(进行原位处理，纳米沉淀物数量较多)交替相间组合，可极大提高材料的力学性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种原位处理4D打印构件的方法，包括如下步骤：
步骤一：根据零件的属性要求，对零件的数据模型进行数据处理，分别得到激光选区熔化成型数据和原位处理数据，将数据导入激光选区熔化成型系统，开始加工；
步骤二：根据激光选区熔化成型数据进行富Ni镍钛粉末的层层熔化凝固成形，得到激光选区熔化成形镍钛合金实体A，成形完当前层后，系统根据零件的属性要求辨别是否需要进行原位处理；
步骤三：若需要进行原位处理，则系统暂停打印并等待当前层温度降低到100-300℃，随后激光根据原位处理数据重复扫描当前层的原位处理区域，在300-600℃进行超短时效作用，得到原位处理后析出Ni4Ti3纳米沉淀物的实体B；否则，系统继续激光选区熔化成形下一层粉末；
步骤四：重复步骤二至步骤三，直至整个零件完成加工，得到不同部位具有不同相变温度、性能强化的镍钛形状记忆合金零件。
上述步骤一所述激光选区熔化成型数据包括整个模型的切片数据；所述原位处理数据包括零件中需要进行原位处理部分模型的切片数据；激光选区熔化系统可分别对激光选区熔化成型数据和原位处理数据的激光参数以及扫描策略进行设置。
上述步骤二所述原位处理的是指，在300-600℃之间进行超短时效作用，使其析出Ni4Ti3纳米沉淀物；而Ni4Ti3纳米沉淀物的析出可消耗镍钛基体的镍元素并改变Ni/Ti比，从而改变该区域合金的相变温度；同时析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性。
上述步骤三所述根据原位处理数据重复扫描当前层的原位处理区域，是指通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控；另外，不同零件部位采用不同的重复扫描激光参数以及扫描次数可使不同部位具有不同的相变温度，实现零件的多步变形，满足复杂场合的使用要求。
在上述步骤三原位处理过程中，可采用热成像仪对零件当前层的温度进行监测。
在上述步骤三原位处理过程中，暂停打印后，根据后续重复扫描超短时效作用的温度来确定零件当前层应该下降的温度值；若超短时效作用温度较低，则暂停打印后应等待当前层温度降到更低，可通过工艺实践建立上述两者的关系。
在上述步骤三原位处理过程中，可采用隔3-10层进行原位处理，以形成未经过原位处理而相对较软的层，以及经过原位处理析出纳米沉淀物强化而相对较硬的层交替相间组合，以提高材料的力学性能。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、相比传统通过调整工艺参数以及后续热处理方式，本发明提出一种创新的相变温度调控工艺，在成型过程中原位处理4D打印镍钛合金，使其在超短时效作用下析出Ni4Ti3纳米沉淀物。通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控；
2、析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性；
3、与传统通过激光重新熔化凝固的处理方式不同，本发明在热成像仪精准监测温度的低温下(300-600℃)对零件进行超短时效热处理，避免直接重熔而导致Ni元素的烧损；
4、相比传统仅可热处理整个零件或分段热处理的方式，本发明的原位超短时效作用可精确定义不同部位的重复扫描参数及次数以控制热处理温度与时间，保证不同部位可实现不同相变温度，实现具有多步变形的复杂智能结构的制造；
5、本发明还可采用隔3-10层进行原位处理形成软/硬层交替相间组合的结构，极大提高材料的力学性能。
附图说明
图1是本发明原位处理4D打印构件的方法流程示意图；
图2是本发明零件不同部位中激光选区熔化区域与原位处理区域的对比示意图；
图3是本发明采用隔3-10层进行原位处理形成软/硬层交替相间组合的结构示意图；
附图标号说明：A-激光选区熔化成形区域；B-原位处理区域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-2所示，本发明提出一种原位处理4D打印构件的方法，具体实施方式包括下述步骤:
步骤一：根据零件的属性要求，对零件的数据模型进行数据处理，分别得到激光选区熔化成型数据和原位处理数据，将数据导入激光选区熔化成型系统，开始加工；
步骤二：系统根据激光选区熔化成型数据进行富Ni镍钛粉末的层层熔化凝固成形，得到激光选区熔化成形镍钛合金实体A，成形完当前层后，系统根据零件的属性要求辨别是否需要进行原位处理；
步骤三：若需要进行原位处理，则系统暂停打印并等待当前层温度降低到100-300℃，随后激光根据原位处理数据重复扫描当前层的原位处理区域，在300-600℃进行超短时效作用，得到原位处理后析出Ni4Ti3纳米沉淀物的实体B；否则，系统继续激光选区熔化成形下一层粉末；
常规的时效热处理作用是指在较低温度下(不同材料的时效温度不同)，对零件进行保温一定时间以消除残余应力、析出强化相等。本发明的超短时效作用是指，对已进行激光成形的NiTi合金实体进行重复激光扫描，在激光扫描的超短时间下使零件当前层加热到300-600℃进行消除残余应力、原位析出Ni4Ti3纳米沉淀物，实现超短时效作用。
步骤四：重复步骤二至步骤三，直至整个零件完成加工，得到不同部位具有不同相变温度、性能强化的镍钛形状记忆合金零件。
进一步的，所述的激光选区熔化成型数据包括整个模型的切片数据；所述的原位处理数据包括零件中需要进行原位处理部分模型的切片数据；激光选区熔化系统可分别对激光选区熔化成型数据和原位处理数据的激光参数以及扫描策略进行设置；
进一步的，所述的原位处理的作用机理为，在300-600℃之间进行超短时效作用，使其析出Ni4Ti3纳米沉淀物。而Ni4Ti3纳米沉淀物的析出消耗镍钛基体的镍元素并改变Ni/Ti比，从而改变该区域合金的相变温度；同时析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性；
进一步的，通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控；另外，不同零件部位采用不同的重复扫描激光参数以及扫描次数可使不同部位具有不同的相变温度，实现零件的多步变形，满足复杂场合的使用要求；
进一步的，在原位处理过程中，可采用热成像仪对零件当前层的温度进行监测；
进一步的，在原位处理过程中，暂停打印后，可根据后续重复扫描超短时效作用的温度来确定零件当前层应该下降的温度值；若超短时效作用温度较低，则暂停打印后应等待当前层温度降到更低，可通过工艺实践建立上述两者的关系；
进一步的，如图3所示，可采用隔3-10层进行原位处理可形成未经过原位处理而相对较软的层以及经过原位处理析出纳米沉淀物强化而相对较硬的层交替相间组合，可极大提高材料的力学性能；
进一步的，激光选区熔化成形镍钛合金的激光参数为：激光功率140-200W，扫描速度为300-800mm/s，扫描间距0.08mm，铺粉层厚0.03mm；扫描策略采用正交扫描策略；
进一步的，进行原位处理的激光参数为：激光功率30-150W，扫描速度1000-2500mm/s，扫描间距0.06-0.12mm；扫描策略与当前层激光选区熔化成形的扫描策略相同；
进一步的，本发明采用的粉末为富Ni镍钛合金粉末，即Ni元素原子百分比为50.1％-55％的镍钛合金粉末，因为富Ni的镍钛合金可在时效处理后析出Ni4Ti3纳米沉淀物并由纳米沉淀物影响合金的相变行为；
如上所述，本发明通过激光选区熔化成形后，暂停打印使零件当前层冷却至低温，并采用低能量输入激光重复扫描当前层原位处理区域，使当前层在300-600℃之间进行超短时效作用，析出Ni4Ti3纳米沉淀物。一方面，Ni4Ti3纳米沉淀物的析出可消耗镍钛基体的镍元素并改变Ni/Ti比，从而改变合金的相变温度。通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控。另一方面，析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性，利用原位处理通过软/硬层交替相间组合可形成一种类似高强度钢-大马士革钢的结构，极大提高材料的力学性能。这对于未来成型可多步变形的高性能、多功能复杂智能结构件，满足日益复杂的场景需求，推动4D打印技术发展及广泛应用具有重大作用。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种原位处理4D打印构件的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：根据零件的属性要求，对零件的数据模型进行数据处理，分别得到激光选区熔化成型数据和原位处理数据，将数据导入激光选区熔化成型系统，开始加工；
步骤二：根据激光选区熔化成型数据进行富Ni镍钛粉末的层层熔化凝固成形，得到激光选区熔化成形镍钛合金实体A，成形完当前层后，系统根据零件的属性要求辨别是否需要进行原位处理；
步骤三：若需要进行原位处理，则系统暂停打印并等待当前层温度降低到100-300℃，随后激光根据原位处理数据重复扫描当前层的原位处理区域，在300-600℃进行超短时效作用，得到原位处理后析出Ni4Ti3纳米沉淀物的实体B；否则，系统继续激光选区熔化成形下一层粉末；
步骤四：重复步骤二至步骤三，直至整个零件完成加工，得到不同部位具有不同相变温度、性能强化的镍钛形状记忆合金零件。
2.根据权利要求1所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，所述激光选区熔化成型数据包括整个模型的切片数据；所述原位处理数据包括零件中需要进行原位处理部分模型的切片数据；激光选区熔化系统可分别对激光选区熔化成型数据和原位处理数据的激光参数以及扫描策略进行设置。
3.根据权利要求2所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，步骤二所述原位处理的是指，在300-600℃之间进行超短时效作用，使其析出Ni4Ti3纳米沉淀物；而Ni4Ti3纳米沉淀物的析出可消耗镍钛基体的镍元素并改变Ni/Ti比，从而改变该区域合金的相变温度；同时析出的Ni4Ti3纳米沉淀物可在受力过程中固定位错，增强合金的强度和延展性。
4.根据权利要求3所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，
步骤三所述根据原位处理数据重复扫描当前层的原位处理区域，是指通过改变重复扫描激光参数或扫描次数以调整超短时效作用的温度与时间，从而可调控析出Ni4Ti3纳米沉淀物的尺寸与数量，实现镍钛合金相变行为的调控；另外，不同零件部位采用不同的重复扫描激光参数以及扫描次数可使不同部位具有不同的相变温度，实现零件的多步变形，满足复杂场合的使用要求。
5.根据权利要求4所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，在步骤三原位处理过程中，可采用热成像仪对零件当前层的温度进行监测。
6.根据权利要求1所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，在步骤三原位处理过程中，暂停打印后，根据后续重复扫描超短时效作用的温度来确定零件当前层应该下降的温度值；若超短时效作用温度较低，则暂停打印后应等待当前层温度降到更低，可通过工艺实践建立上述两者的关系。
7.根据权利要求1所述原位处理4D打印构件的方法，其特征在于，在步骤三原位处理过程中，可采用隔3-10层进行原位处理，以形成未经过原位处理而相对较软的层，以及经过原位处理析出纳米沉淀物强化而相对较硬的层交替相间组合，形成一种软硬层交替的结构，以提高材料的力学性能。
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