CN113145859A - 一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法。利用激光选区熔化工艺制备镍钛合金时，不同工艺参数导致Ni的挥发量不同，导致镍钛合金的相变行为随着工艺参数的变化而发生变化，严重影响镍钛合金构件性能的一致性。本方法中，利用Nb对镍钛合金粉末进行改性，补偿不同工艺参数下Ni的损失，最终实现不同工艺参数成形的镍钛合金相变行为基本不变，显著降低激光选区熔化镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数的敏感性。

Description

一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法

技术领域

本发明属于金属材料领域、增材制造领域以及形状记忆合金领域，尤其涉及一种降低激光增材制造镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数敏感性的方法。

背景技术

形状记忆合金表现有形状记忆效应和超弹性，经过合适的热—力过程后能够回复到其原来的形状，是集传感与驱动为一体的金属智能材料。镍钛形状记忆合金因具有较大的可回复应变、良好的生物相容性等特点，在生物医疗、航空航天等领域得到了广泛的应用。然而，镍钛合金表现有焊接能力差、加工硬化能力强、化学活性高等特点，使其成形加工比较困难。目前镍钛合金构件一般由丝、板、管等简单的中间制品加工而成，通常结构简单、功能单一，严重限制了镍钛合金的推广应用。激光选区熔化作为一种增材制造技术是解决镍钛合金加工难题的理想方法，近年来受到了广泛的关注。现有技术中，已有学者和工程师开始使用激光选区熔化来制造镍钛合金，并取得了一定的进展。

CN105268973A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。

CN110819840A提供的是一种含有梯度分布成分的TiNi记忆合金及其增材制造工艺。选择粉末粒度在15～53μm的TiNi形状记忆合金粉末；以X为供粉方向，XY面为铺粉面，Z为层叠方向，采用双向扫描策略，在双向扫描中，激光以Z字形图案在表面上移动，然后为后续层旋转67°，以Z轴为层叠方向加工成块体；在以Z轴为层叠方向加工成块体的过程中，依次使用不同的激光选区熔化工艺参数，使合金的成分沿成型方向呈现梯度分布。本发明的制备方法具有工艺简单，便于调控的特点，适合制备具有复杂形状并且含有梯度分布成分的TiNi记忆合金及其零件。

1.CN110090954A提供了一种增材制造NiTi形状记忆合金及其制备方法。在该制备方法中，所述增材制造采用激光选区熔化制造工艺，所采用的激光扫描策略为条带分区加旋转，其中，条带宽度为2-10mm，逐层旋转角度为50°-90°。本发明还提供了利用上述方法制备的增材制造NiTi形状记忆合金。本发明所提供的制备方法制备的NiTi形状记忆合金具有优异的拉伸力学性能和功能特性，兼具大拉伸应变和优异记忆效应。

然而，大量研究表明激光增材制造工艺参数的变化会显著影响镍钛合金的相变行为，主要是因为不同工艺参数条件下Ni的挥发量不同导致相变温度变化。例如，采用相同镍钛粉末不同的激光选区熔化工艺参数，镍钛合金的相变温度相差最大可达70℃(Wangetal.,ScriptaMaterialia,2018,146:246-250)。虽然这为调控镍钛合金的相变行为提供了可能的启示，但是会严重影响镍钛合金构件性能的一致性。例如，采用不同优化策略(高激光功率高扫描速度，或低激光功率低扫描速度)制备的镍钛合金表现有不同的相变行为，并且采用优化参数制备的镍钛合金相变行为也可能不是目标相变行为。因此，激光选区熔化镍钛形状记忆合金的相变行为除了受初始粉末成分的影响外，还受到激光选区熔化工艺参数的影响，导致难以建立“粉末初始成分”与“构件最终性能”之间的关系，增加了调控激光增材制造镍钛合金性能的复杂性。因为相变行为对镍钛合金的实际应用至关重要，它决定着形状记忆效应或超弹性发生的温度范围，因此需要开发一种新的方法来降低镍钛合金相变行为对激光选区熔化工艺参数的敏感性。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种能够降低激光选区熔化镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数敏感性的方法。

如之前所述，镍钛合金中，Ni/Ti比的微小变化对合金的相变行为产生重要影响。但现有技术并没有提出有效的解决手段来抵消或降低工艺参数变化，如激光扫描速度对合金马氏体相变温度的影响。

本发明的技术方案针对采用激光选区熔化技术制备的近等原子比镍钛二元形状记忆合金，通过加入纯Nb对镍钛二元合金粉末进行改性，在不同激光增材过程中实现对Ni损失的补偿，进而降低镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数的敏感性，最终实现在改变激光选区熔化工艺参数时，镍钛合金的相变温度基本保持不变。

优选的铌添加方式为：为避免直接使用三种不同元素粉末制备三元合金(含Nb量相对较多)，而本发明与现有技术区别的一个手段在于，直接将Nb元素粉末作为掺杂元素，添加至成型后的镍钛合金中，来降低工艺参数对马氏体相变温度的影响。本发明的掺杂方法，相比现有技术相比，Nb的掺杂量可控且含量少，成本低，且掺杂方法简单，工序简单，并且Nb作为掺杂量进入镍钛合金，能保持已有的镍钛合金中的组织及结构。

Nb元素含量的掺杂量对改性的效果起着至关重要的作用。优选的，形成的混合粉末中Nb的含量为2.5-3.5at.％(原子百分比)；更优选地，Nb含量为3.0at.％。在此优选范围中的Nb含量能最大限度的抵消工艺参数变化引起对合金性质的影响。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，包括：

本发明的降低激光选区熔化镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数敏感性的方法，具体包括如下步骤：

(1)选取适配于激光增材制造工艺的近等原子比镍钛二元形状记忆合金球形粉末，粉末粒径范围为15-53μm；

(2)选取纯Nb粉末，粉末的粒径范围为0-100μm；

(3)将镍钛预合金粉末和Nb粉末进行机械混合(如利用三维混合机)，混合时间不少于2小时；

(4)将混合后的粉末进行烘干，烘干温度不小于80℃，时间不少于1小时；

(5)将混合粉末置于成型仓室中用于激光选区熔化工艺，制备镍钛形状记忆合金。改变激光选区熔化工艺参数，镍钛合金的相变行为基本不变。

上述技术方案中，通过向镍钛形状记忆合金粉末中，加入纯Nb粉末来降低激光选区熔化制备的镍钛合金相变行为对工艺参数的敏感性。

在一些实施例中，进一步地，镍钛合金为近等原子比的镍钛二元形状记忆合金，其成分为Ni的原子百分比为：50.2-51.5at.％。

在一些实施例中，进一步地，镍钛合金粉末为预合金粉末，粉末的粒径范围为15-53μm。

在一些实施例中，进一步地，Nb粉末为纯Nb粉末(纯度>99.9％)，Nb粉末的粒径范围为：1-100μm。

在一些实施例中，进一步地，采用机械混合的方式在镍钛合金预合金粉末中加入Nb粉末。

在一些实施例中，进一步地，加入的Nb粉末后，混合粉末中Nb的含量为2.5-3.5at.％(原子百分比)，优选地，Nb含量为3.0at.％。

在一些实施例中，进一步，为了保证激光选区熔化镍钛合金的性能，成型过程中成型仓室的氧含量小于25ppm，成形过程中的保护气体为氩气或氦气。

在一些实施例中，进一步，所述激光激光选区熔化工艺为基于激光的粉末床熔融工艺。

在一些实施例中，进一步，所述激光增材制造工艺参数为激光功率、扫描间距、扫描速度中的一种或者多种组合。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用Nb对镍钛预合金粉末进行改性，可以显著降低激光选区熔化镍钛合金相变行为对工艺参数的敏感性，使得采用不同工艺参数制备的镍钛合金具有相同的相变行为，显著提升了激光增材制造镍钛合金构件性能的一致性。

(2)本方法采用机械混合的方法，操作简单、方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1(a)是实施例1中利用3.0at.％Nb改性的NiTi粉末制备的NiTi合金试样采用差示扫描量热分析仪(DSC)测试得到的各试样的相变曲线；图1(b)为相变温度随激光扫描速度变化趋势。

图2(a)是实施例1中作为对比，利用未改性NiTi粉末制备的NiTi合金试样采用差示扫描量热分析仪(DSC)测试得到的各试样的相变曲线；图2(b)为相变温度随激光扫描速度变化趋势。

图3(a)是实施例2中利用3.0at.％Nb改性的NiTi粉末制备的NiTi合金试样采用差示扫描量热分析仪(DSC)测试得到的各试样的相变曲线；图4(b)为相变温度随激光功率变化趋势。

图4(a)是实施例2中作为对比，利用未改性NiTi粉末制备的NiTi合金试样采用差示扫描量热分析仪(DSC)测试得到的各试样的相变曲线；图4(b)为相变温度随激光扫描速度变化趋势。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，采用激光选区熔化技术制备镍钛形状记忆合金时，其相变行为会随工艺参数的变化发生显著变化。本发明提出了一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法。通过向镍钛合金粉末中添加Nb粉末，优化激光选区熔化镍钛合金显微组织，实现对Ni损失的补偿，显著降低镍钛合金对激光选区熔化工艺参数的敏感性。使影响增材制造镍钛合金相变行为的因素由“粉末成分+工艺参数”转变为单一的“粉末成分”，降低了调控增材制造NiTi合金性能的复杂性，也提升不同工艺参数制备的镍钛合金性能的一致性。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

利用Nb粉末对镍钛预合金粉末改性，使得在大范围改变激光增材制造工艺参数，成形的镍钛合金相变行为保持基本不变。

其中，本发明针对的激光增材制造工艺为基于粉末床的激光增材制造技术，即激光选区熔化技术。镍钛合金粉末为预合金的近等原子比镍钛二元形状记忆合金球形粉末，镍钛合金中Ni含量范围为：50.2at.％至51.0at.％，粉末的粒径范围为15-53μm。

其中，改性用的Nb粉末是粒径范围为1-100μm的球形粉或不规则粉末。

其中，利用Nb粉末改性镍钛合金粉末的方法是，将Nb粉末与镍钛预合金粉末进行机械混合，混合时间不少于2小时。根据实际需要将混合后的粉末进行烘干，烘干温度不小于80℃，时间不少于1小时。

其中，改性后的粉末，Nb的含量为2.5-3.5at.％(原子分数)。优选的Nb含量为3.0at.％。

其中，采用激光选区熔化工艺对混合后的粉末进行成形时，改变激光功率或激光扫描速度。工艺参数变化的范围为：激光功率20W至2000W，扫描速度10mm/s至6000mm/s，激光扫描间距5μm至300μm，粉末层厚10μm至200μm。优选地，激光选区熔化工艺参数变化范围为：激光功率100W至240W，扫描速度500mm/s至1200mm/s，激光扫描间距40μm至80μm，粉末层厚的范围为30μm至60μm。并且，在激光选区熔化过程中，粉末层厚及扫描间距，选取其中一定值保持不变。

优选地，为了保证激光选区熔化镍钛合金的性能，成形过程中成型仓室的氧含量小于25ppm，成形过程中的保护气体为氩气或氦气。

本发明实现的最终效果为改变激光选区熔化工艺参数制备的镍钛合金相变行为保持基本不变。

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1：

一种降低激光选区熔化镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数的敏感性的实例。采用Ni含量为50.8％(原子分数)的镍钛形状记忆合金球形粉末，粉末粒径范围为15μm至53μm。改性用Nb粉末为不规则粉末，粒径范围为1μm至100μm。

称取适量的镍钛合金粉末和Nb粉末进行混合，其中Nb在混合粉末中的比例为3.0at.％(原子分数)。利用机械混合的方式将近等原子比镍钛二元预合金粉末与改性用Nb粉末混合，混合时间为8个小时。随后，将混合的粉末用真空干燥箱烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为6小时。

将烘干后的粉末用于激光选区熔化工艺，工艺参数为：激光扫描速度从500mm/s逐步升高到1200mm/s，激光功率140W保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变，粉末铺粉层厚为30μm保持不变，激光光斑直径为80μm。激光选区熔化过程中使用氩气保护，并保证成型腔体中的氧含量不高于100ppm。

图1是实施例1中利用3.0at.％Nb改性的NiTi粉末制备的NiTi合金试样的相变行为。采用激光选区熔化工艺对试样进行成形时，激光扫描速度从500mm/s逐步升高到1200mm/s，激光功率140W保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变。如图1所示，使用改性后的NiTi合金粉末制备的NiTi合金试样，随着激光扫描速度从500mm/s增加到1200mm/s，镍钛形状记忆合金的相变行为(马氏体相变峰值温度)保持基本不变，变化范围为-5℃至-8℃，变化幅度仅为3℃。

图2是实施例1中作为对比，利用未改性NiTi粉末制备的NiTi合金试样的相变行为。采用激光选区熔化工艺对试样进行成形时，激光扫描速度从500mm/s逐步升高到1200mm/s，激光功率140W保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变。作为对比，图2为未改性的NiTi合金粉末，采用相同激光选区熔化工艺参数制备的镍钛合金的相变行为，可以从看出随着激光扫描速度从500mm/s增加到1200mm/s，镍钛形状记忆合金的相变行为(马氏体相变峰值温度)发生显著变化，变化范围为-12℃至35℃，变化幅度为47℃。

上述结果表明，使用Nb改性，可以显著降低镍钛合金相变行为对激光选区熔化工艺参数的敏感性。

实施例2：

一种降低激光选区熔化镍钛形状记忆合金相变行为对工艺参数的敏感性的实例。采用Ni含量为50.8％(原子分数)的镍钛形状记忆合金球形粉末，粉末粒径范围为15μm至53μm。改性用Nb粉末为不规则粉末，粒径范围为1μm至100μm。

称取适量的镍钛合金粉末和Nb粉末进行混合，其中Nb在混合粉末中的比例为3.0at.％(原子分数)。利用机械混合的方式将近等原子比镍钛二元预合金粉末与改性用Nb粉末混合，混合时间为8个小时。随后，将混合的粉末用真空干燥箱烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为6小时。

将烘干后的粉末用于激光选区熔化工艺，工艺参数为：激光功率从100W逐步升高到240W，激光扫描速度800mm/s保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变，粉末铺粉层厚为30μm保持不变，激光光斑直径为80μm。激光选区熔化过程中使用氩气保护，并保证成型腔体中的氧含量不高于100ppm。

图3是实施例2中利用3.0at.％Nb改性的NiTi粉末制备的NiTi合金试样的相变行为。采用激光选区熔化工艺对试样进行成形时，激光功率从100W逐步升高到240W，激光扫描速度800mm/s保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变。如图3所示，使用改性后的NiTi合金粉末制备的NiTi合金试样，随着激光功率从100W增加到240W，镍钛形状记忆合金的相变行为(马氏体相变峰值温度)保持基本不变，变化范围为-9℃至-2.5℃，变化幅度仅为6.5℃。

图4是实施例2中作为对比，利用未改性NiTi粉末制备的NiTi合金试样的相变行为。采用激光选区熔化工艺对试样进行成形时，激光功率从100W逐步升高到240W，激光扫描速度800mm/s保持不变，激光扫描间距为80μm保持不变。作为对比，图4为未改性的NiTi合金粉末，采用相同激光选区熔化工艺参数制备的镍钛合金的相变行为，可以从看出随着激光功率从100W增加到240W，镍钛形状记忆合金的相变行为(马氏体相变峰值温度)发生显著变化，变化范围为-13℃至24℃，变化幅度为37℃。

上述结果表明，使用Nb改性，可以显著降低镍钛合金相变行为对激光选区熔化工艺参数的敏感性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，包括如下步骤：

选取适配于激光增材制造工艺的近等原子比镍钛二元形状记忆合金球形粉末，粉末粒径范围为15-53μm；

选取纯Nb粉末，粉末的粒径范围为0-100μm；

将镍钛预合金粉末和Nb粉末进行机械混合，混合时间不少于2小时；

将混合后的粉末进行烘干，烘干温度不小于80℃，时间不少于1小时；

将混合粉末置于成形仓室中用于激光选区熔化工艺，制备镍钛形状记忆合金。

2.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，镍钛预合金粉末为近等原子比的镍钛二元形状记忆合金，其成分为Ni的原子百分比为：50.2-51.5at.％。

3.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，预合金粉末的粒径范围为15-53μm。

4.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，Nb粉末为纯Nb粉末(纯度>99.9％)，Nb粉末的粒径范围为：1-100μm。

5.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，采用机械混合的方式在镍钛合金预合金粉末中加入Nb粉末。

6.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，加入的Nb粉末后，混合粉末中Nb的含量为2.5-3.5at.％(原子百分比)，优选地，Nb含量为3.0at.％。

7.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，成形过程中成形仓室的氧含量小于25ppm，成形过程中的保护气体为氩气或氦气。

8.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，所述激光选区熔化工艺为基于激光的粉末床熔融工艺。

9.根据权利要求1所述的一种降低激光选区熔化镍钛合金相变对工艺敏感性的方法，所述激光增材制造工艺参数为激光功率、扫描间距、扫描速度中的一种或者多种组合。

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