CN113414408B - 三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法 - Google Patents

三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击‑增材复合制造方法，包括如下步骤：设计构件的三维激光冲击强化结构模型，生成每层冲击强化路径信息；增材制造控制系统依据合金构件模型和工艺参数，制造单个沉积层；激光冲击强化控制系统提取该层冲击强化路径信息，根据需要对已沉积构件施加预热，并进行激光冲击处理；如此循环，直至完成整个构件成形与制造。本发明通过控制激光冲击的图形结构和工艺参数，可原位精准调控形状记忆合金中三维方向上的奥氏体和马氏体变形状态及马氏体正逆相变，实现对合金固态相变、超弹性和形状记忆效应的高效、高质量一体化控制与优化，为复杂结构、高性能的形状记忆合金的提供新的制造方法和手段。

Description

三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法。
背景技术
形状记忆合金(Shape Memory Alloys)不仅可通过超弹性和形状记忆效应实现构件形状的自编译可控变化，同时还保持着优异承载、传力、连接等力学性能。其中，形状记忆合金的超弹性和记忆效应的本质是激励(温度、应力、电磁场等)诱发的高有序度奥氏体(A)母相与低有序度马氏体(M)之间晶体学可逆的热弹性马氏体相变和多晶体学变体马氏体之间的再取向。因此，调控形状记忆合金中的固态相变和显微组织是控制其合金形状记忆性能的有效方法。
增材制造技术(Additive manufacturing)，又称3D打印技术，是一种基于分层制造、层层叠加成形原理，由零件三维CAD数据模型进行“增材”式加工的高端数字化制造技术。该技术突破了现有制造技术对构件形状的限制，能够实现功能-结构-制造的一体化，大幅简化复杂精密构件的制造工艺，极大提高构件质量与性能。尤其，基于离散-堆积原理的增材制造技术能够有效规避形状记忆合金制造过程中金属间化合物硬脆、杂质元素易引入和复杂结构难成形等问题，是形状记忆合金极具潜力的新型制造技术。
目前，已有大量研究通过增材制造技术获得高致密、具有与传统工艺制造相当形状记忆效应和高循环稳定性的形状记忆合金构件，比如专利CN 109365810 A、CN109746445 A、CN 110788340 A、CN 111979466 A、CN 112059181 A等。但是，还存在如下问题：①显微组织控制难：大部分形状记忆合金的形状记忆效应分别来源于合金中的马氏体正逆相变，但是增材制造的复杂热力学环境导致了显微组织特征的不确定和调控手段的低可控性。②记忆效应疲劳衰减：增材制造过程中高频次的加热-冷却循环组成的复杂热历史导致合金会在极短时间周期内反复经历热诱导马氏体正逆相变。随着相变过程的迭代，A/M两相界面移动引入的位错和塑性变形将产生不可逆应变的积累，进而导致合金可回复应变减小和功能疲劳。③冶金缺陷：增材制造是一个快速凝固收缩、循环加热冷却的非平衡加工过程，局部高能量热输入产生的不均匀温度场将导致熔池在凝固及随后冷却阶段承受复杂的热应力、组织应力和残余应力及其相互耦合作用，因而在激光快速熔凝的热循环和拉伸应力作用下极易产生气孔、开裂、翘曲等冶金缺陷。
激光冲击技术是指采用短脉冲(纳秒级别)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光束辐照金属零件表面产生高温(>107K)、高压(>1GPa)的等离子体，其在约束层下形成的高振幅、短脉冲高压(GPa级别)冲击波引起材料表面一定深度发生超高应变率(105～7s-1量级)的塑性变形，同时衍生的动态应变时效效应激发材料内部产生密集均匀的位错结构和析出相，细化晶粒、诱导残余压应力，最终达到提高强度、硬度、磨损、应力腐蚀和疲劳寿命的效果。同时，激光冲击技术还具有处理复杂几何形状构件、实现微米尺度局部处理，以及保证材料表面完整性和粗糙度的优势。更重要地是，激光冲击技术还具有改善凝固结晶行为和控制固态相变的作用。当以超过临界峰值压力(4.5～7.5GPa)的冲击波作用于初始相为B2奥氏体的NiTi形状记忆合金时，将产生形变诱导马氏体相变。可以看出，激光冲击技术不仅可以改善形状记忆合金的残余应力分布、细化晶粒、提高强度和疲劳寿命，还能控制合金中马氏体正逆相变、动态再结晶以及奥氏体和马氏体的弹塑性变形。
目前，尽管已有一些专利关注激光冲击-增材复合制造技术，比如专利CN111974997 A、CN 107225244 A、CN 106048144 A、CN 109746441 A和CN 111992879 A等，使用脉冲激光对增材制造成形层表面进行激光冲击强化处理，从而实时调整零件各部件的应力分布、细化晶粒尺寸、提高抗疲劳、耐磨和抗应力腐蚀等性能；专利CN 112276087 A和CN112496339 A中通过激光冲击诱导的冲击波搅拌熔池，从而消除凝固组织的各向异性、细化晶粒，提高力学性能。但是，基于激光冲击强化技术辅助增材复合制造形状记忆合金，通过激光冲击波力实现合金的固态相变过程、凝固结晶行为以及形状记忆效应调控的相关报道，仍属空白。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的提出了一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法，旨在通过激光冲击波力原位精准调控形状记忆合金中三维方向上的奥氏体和马氏体变形状态及马氏体正逆相变，实现对形状记忆合金固态相变、超弹性和形状记忆效应的高效、高质量一体化控制与优化，为复杂结构、高性能的形状记忆合金的提供新的制造方法和手段，并推动金属/合金复合增材制造技术的应用和发展。
为实现上述目的，该三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法包括如下步骤，
S1：设计构件的三维激光冲击强化结构模型，激光冲击强化控制系统处理合金激光冲击强化结构模型，并依据模型生成构件的每层冲击强化路径信息；
S2：增材制造控制系统对待制造合金零件的三维模型和冲击强化结构模型进行切片分层处理，并依据模型获得构件的每层切片轮廓、增材制造扫描路径和冲击强化路径信息；
S3：在增材制造控制系统中提取该层扫描信息，导入增材制造过程工艺参数，通过增材制造系统制造合金单个沉积层；
S4：在激光冲击强化控制系统中提取该层冲击强化路径信息，判断该层是否设定了冲击强化处理，
(1)是，则根据需要对已沉积构件施加特定预热温度，导入激光冲击强化工艺参数，按该层设定的冲击强化路径进行激光冲击处理；
(2)否，则跳过该步骤；
S5：判断是否完成整个构件制造，
(1)是，则结束整个制造过程；
(2)否，跳到步骤S3；
S6：结束。
本发明中的激光冲击图形结构可为网格、环形、点阵、其他图形或者他们之间的任意组合；每层的激光冲击图形结构可以相同，也可以不同；结合激光冲击增材制造沉积层的选择，可以在增材制造形状记忆合金中形成三维冲击增强的结构；通过控制激光冲击强化的冲击图形结构参数(形状、尺寸、间距等)，可获得形态为纤维、颗粒和球等，尺寸为纳米级到厘米级，以及不同比例的冲击硬化区域；每层冲击硬化区域的形态、尺寸、比例均可任意组合；通过控制激光冲击强化的工艺参数，可以在不同的冲击硬化区域获得不同的物相(奥氏体和马氏体)组成和比例，也可以在不同的冲击硬化区域获得不同变形状态的奥氏体和马氏体，进而起到调控合金整体性能的目的；本发明中增材制造工艺可以为任意增材制造技术，包括激光增材制造技术、电弧增材制造技术、离子束增材制造技术以及复合增材制造技术等；该发明中形状记忆合金可以为任意由固态相变控制形状记忆效应的合金种类。
本发明的优点及有益效果如下：
1、激光冲击强化技术在提高材料强硬度值、植入残余压应力场、细化晶粒等方面的作用已被广泛认可和应用，但是，通过精准控制激光冲击强化技术中的工艺参数能够起到固态相变和物相控制方面的作用往往却被忽略。因此，本发明通过精准控制激光冲击工艺参数，能够在线原位调控增材制造形状记忆合金中的马氏体正逆相变和显微组织物相组成，通过精准控制激光冲击的图形结构参数和冲击层，能实现对增材制造合金的三维复合增强，进而能够实现通过激光冲击辅助技术调控形状记忆合金中力学性能、超弹性和形状记忆效应等综合性能的目的，这是本发明的首要创新之处；
2、与全面积激光冲击相比，激光选区冲击强化的表面由硬化区、热影响区和基体组成，通过合理设计硬化区的分布和含量，可有效抑制开裂倾向、控制物相比例和提高合金功能稳定性，该原理类似于复合材料的强化理论，这是本发明的第二创新之处。
3、激光冲击强化工艺引入的残余压应力场能消除应力集中并抑制气孔和裂纹的萌生和扩展，起到闭合气孔、抑制变形和减小合金开裂倾向的效果；
4、激光冲击植入的高密度位错网在后续时效过程中能作为非均匀形核中心促进第二相粒子形核，进而发挥强化基体、抑制相变过程塑性变形和提升功能稳定性的作用；
5、增材制造工艺参数、激光冲击工艺参数和冲击结构参数的高度可设计性，使合金材料具备可控制、可调节、可优化的综合性能组合；
6、非接触、高可控的激光冲击强化技术与激光增材制造工艺复合制造形状记忆合金，能实现复杂形状结构的强化处理。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明选区激光冲击强化的冲击图形结构示意图；
图3是本发明激光选区冲击-增材复合制造三维增强形状记忆合金结构的示意图；
图4是本发明激光选区冲击-激光选区熔化复合制造形状记忆合金三维冲击增强结构的流程示意图。
图5是本发明实施例1中一种激光选区冲击-激光选区熔化复合制造NiTi形状记忆合金三维冲击增强结构试样的任意两个纵截面的宏观照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明实例提供的三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法。本发明中利用激光加工路径的可控性，设计系列图形化的冲击结构，可为网格、环形、点阵、其他图形或者他们之间的任意组合，如图2所示；结合激光冲击层的选择，可设计出由冲击硬化区与韧性基体三维复合增强的合金显微结构，可以在增材制造形状记忆合金中形成三维冲击增强的模型结构，如图3所示；通过控制激光冲击强化的冲击图形结构参数(形状、尺寸、间距等)，可获得形态为纤维、颗粒和球等的硬化区域，可获得尺寸为纳米级到厘米级的硬化区域，可获得不同比例的冲击硬化区域，可获得形态、尺寸、比例等不同组合的冲击硬化结构，并实现形状记忆合金的显微结构和力学-超弹性-形状记忆效应的编程化设计与控制。通过控制激光冲击强化的工艺参数，可以在不同的冲击硬化区域获得不同的物相(奥氏体和马氏体)组成和比例，可以在不同的冲击硬化区域获得不同变形状态的奥氏体和马氏体；本发明中增材制造工艺可以为任意增材制造技术，包括激光增材制造技术、电弧增材制造技术、离子束增材制造技术以及复合增材制造技术等；本发明中形状记忆合金可以为任意由固态相变控制形状记忆效应的合金种类。
该三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法包括如下步骤，
S1：设计构件的三维冲击强化模型结构，激光冲击强化控制系统处理合金激光冲击结构模型，并依据模型形成构件的每层冲击强化路径信息；
S2：增材制造控制系统对待制造零件的三维模型和冲击强化结构模型进行切片分层处理，并依据模型获得构件的每层切片轮廓、增材制造扫描路径和冲击强化路径信息；
S3：在增材制造控制系统中提取该层扫描信息，导入增材制造过程工艺参数，通过增材制造系统制造形状记忆合金单个沉积层；
S4：在激光冲击强化控制系统中提取该层冲击强化路径信息，判断该层是否设定了冲击强化处理，
(1)是，则根据需要对已沉积构件施加特定预热温度，导入激光冲击强化工艺参数，按该层设定的冲击强化路径进行激光冲击处理；
(2)否，则跳过该步骤；
S5：判断是否完成整个构件制造，
(1)是，则结束整个制造过程；
(2)否，跳到步骤S3；
S6：结束。
实施例1：
一种激光选区冲击-激光选区熔化复合制造NiTi形状记忆合金三维冲击增强结构的方法，包括如下步骤，
S1：设计如图3的球状三维冲击强化模型结构，其中立体球状结构的直径为1～10mm，每个立体球直径可以相同，也可以不同，冲击点阵总面积占沉积层的面积百分比为10～60％，立体球在构件中呈规则均匀分布，立体球中马氏体相的占比为10～50％。激光冲击强化控制系统处理上述设计的激光冲击结构模型，并依据模型生成构件的逐层冲击强化路径信息；
S2：激光选区熔化控制系统对待制造NiTi零件的三维模型进行切片分层处理，并依据模型获得构件的每层切片轮廓和扫描路径信息；
S3：在激光选区熔化控制系统中提取该层扫描信息，导入工艺参数，其中激光功率为150～1000W，扫描速度为100～1500mm/s，铺粉层厚为0.01～0.1mm，扫描间距为0.06～0.50mm，相位角为30～360°，通过激光选区熔化控制系统制造形状记忆合金单个沉积层；
S4：在激光冲击强化控制系统中提取该层冲击强化路径信息，判断该层是否设定冲击强化处理，
(1)是，对已沉积构件施加特定120～800℃的预热温度，导入激光冲击强化工艺参数，其中激光功率密度1.0～10.0GW/cm2、脉冲频率1～10HZ、单脉冲能量1～4J、光斑直径为1～18mm、冲击波峰值压力1.0～10.0GPa、应变速率105～8s-1，按该层设定的冲击强化路径进行激光冲击处理；值得注意地是，对于强化区域设计为马氏体相的点阵区域，施加的激光冲击波峰值压力为4.5～7.5GPa；
(2)否，则跳过该步骤；
S5：判断是否完成整个构件制造，
(1)是，则结束整个制造过程；
(2)否，跳到步骤S3；
S6：结束。
对比例：
同实施例1，不同之处在于，构件没有施加激光冲击强化处理，其余条件不变；
表1 NiTi合金综合性能
Figure BDA0003099028480000061
Figure BDA0003099028480000071
其中形状记忆效应测试条件：棒状试样，温度20℃，压缩压力400MPa，试样卸载加热到120℃，重复上述步骤，经过15次循环加载，测试压缩应力-应变曲线；
超弹性测试条件：试验温度为100℃，循环压缩载荷600MPa，经过15次循环加载，获得压缩应力-应变曲线。
图5是本实施例中一种激光选区冲击-激光选区熔化复合制造NiTi形状记忆合金三维冲击增强结构试样的任意两个纵截面的宏观照片。
从表1中可以看出经过实施例1的制备方法得到的NiTi合金其压缩屈服强度、压缩断裂应力、断裂应变、超弹性和形状记忆性能均大于对比例1所制备的NiTi合金，通过本发明NiTi合金的综合性能得到了提高。

Claims (1)

1.一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：设计构件的三维激光冲击强化结构模型，激光冲击强化控制系统处理合金激光冲击强化结构模型，并依据模型生成构件的每层冲击强化路径信息；
S2：控制系统对待制造合金零件的三维模型和冲击强化结构模型进行切片分层处理，并依据模型获得构件的每层切片轮廓、增材制造扫描路径和冲击强化路径信息；
S3：在增材制造控制系统中提取该层扫描信息，导入增材制造过程工艺参数，通过增材制造系统制造合金单个沉积层；
S4：在激光冲击强化控制系统中提取该层冲击强化路径信息，判断该层是否设定了冲击强化处理：
(1)是，则根据需要对已沉积构件施加特定预热温度，导入激光冲击强化工艺参数，按该层设定的冲击强化路径进行激光冲击处理；
(2)否，则跳过该步骤；
S5：判断是否完成整个构件制造:
(1)是，则结束整个制造过程；
(2)否，跳到步骤S3；
S6：结束；
所述三维激光冲击强化结构模型中激光冲击图形结构为网格、环形或点阵中任一种或者他们之间的任意组合；每层的激光冲击图形结构相同或不同；结合激光冲击增材制造沉积层的选择，在增材制造形状记忆合金中形成三维冲击增强的结构；通过控制激光冲击强化的冲击图形结构参数，获得形态为纤维、颗粒或球，尺寸为纳米级到厘米级，以及不同比例的冲击硬化区域；每层冲击硬化区域的形态、尺寸、比例均可任意组合；通过控制激光冲击强化的工艺参数，能在不同的冲击硬化区域获得不同的物相即奥氏体和马氏体组成和比例，也能在不同的冲击硬化区域获得不同变形状态的奥氏体和马氏体，进而起到调控合金整体性能的目的；所述增材制造工艺为任意增材制造技术，包括激光增材制造技术、电弧增材制造技术、离子束增材制造技术以及复合增材制造技术；形状记忆合金为任意由固态相变控制形状记忆效应的合金种类。
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