CN113909493B - 一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4d打印方法和应用 - Google Patents

一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4d打印方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4D打印方法和应用，镍钛合金和钕铁硼合金多材料采用镍钛合金材料与钕铁硼合金材料通过4D打印一体化制作成型，且分别采用不同的4D打印工艺将近等原子比的镍钛合金与钕铁硼合金进行结合，对钕铁硼合金充磁后，从而获得同时具有形状记忆效应和磁效应的多功能构件。本发明提供的镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法可以制备出不同结构的多功能构件，具备一体化成型的特点，该多功能构件基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，可以用于磁驱动的固态制冷装置，同时，将镍钛合金作为导线，借助其热相变吸能产生的形变效果切割钕铁硼合金的磁感线，可以将环境中的热量变化转化为电能。

Description

一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4D打印方法和应用
技术领域
本发明涉及增材制造及先进制造技术领域，尤其涉及一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4D打印方法和应用。
背景技术
镍钛合金因其可逆的热弹性马氏体相变而具有优异的形状记忆性能、超弹性能和阻尼性能，因而广泛地应用于航空航天、医疗器械等诸多领域。然而，由于其独特的加工硬化和回弹效应，使得镍钛合金的传统加工方式面临挑战，同时单一的镍钛合金材料在功能上仍存在一定的局限性。因此，为拓展镍钛合金的功能性能，新的制备方法和基于镍钛合金的多材料亟待研究。
钕铁硼合金材料具有优异的磁能积，被广泛地应用于电子产品，例如硬盘、手机、耳机以及用电池供电的工具等，若将其与具有形状记忆效应的镍钛合金相结合，制备成多功能的一体化构件将具有极大的应用潜力。
4D打印技术作为智能构件的材料-结构-功能一体化成型的新技术，结合了3D打印技术的特点，能将三维制造降为简单的二维制造，可成型任意具有复杂结构的零部件。若将该技术用于镍钛合金和钕铁硼合金功能构件的一体化成型，则有望实现镍钛合金与钕铁硼合金的紧密界面结合，更能实现精细复杂结构的快速成型，从而使两种材料的性能得以有机结合，进一步拓展其应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料及其4D打印方法和应用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料，采用镍钛合金材料与钕铁硼合金材料通过4D打印一体化制作成型。
进一步的，4D打印所使用的镍钛合金材料为球形粉末，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm，4D打印所使用的钕铁硼合金材料为块状颗粒，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm。
一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，包括以下步骤：
S1、利用三维建模软件对待4D打印的多材料进行建模，输入至4D打印设备中；
S2、4D打印设备的粉末材料为钕铁硼合金粉末，并采用镍钛合金材料板作为基板，将基板磨平后进行喷砂处理，随后在基板上均匀铺一层钕铁硼合金粉末；
S3、关闭4D打印设备舱门，开启气体循环系统，注入保护气体，使得4D打印设备成型腔内的氧含量低于200ppm，同时将基板预热至100℃-200℃；
S4、待氧含量及预热温度达到设定值时，开始激光扫描使钕铁硼合金材料成型，激光功率为100W-200W，扫描速度为400mm/s-700mm/s，粉末层厚为50μm，扫描间距为120μm；
S5、钕铁硼合金材料成型完成后，更换粉末材料为镍钛合金粉末，重复步骤S3；
S6、待氧含量及预热温度达到设定值时，以先成型的钕铁硼合金材料的激光工艺参数扫描零件表面1-3次，使得剩余的钕铁硼合金材料充分熔化；
S7、调整4D打印设备的参数，激光功率为200W-300W，扫描速度为500mm/s-1100mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm，以此工艺参数使镍钛合金材料成型，并使得成型后的镍钛合金材料与钕铁硼合金材料产生紧密的冶金结合。
一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件，包括中部的镍钛合金成型件及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将其用于磁驱动的固态制冷装置。
一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件，包括中部的镍钛合金成型件及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将镍钛合金作为导线，借助其相变吸能产生的形变效果切割钕铁硼的磁感线，从而将环境中的热量变化转化为电能。
本发明的有益效果为：
本发明采用4D打印技术，通过激光熔化使得镍钛合金与钕铁硼合金两种材料产生紧密冶金结合，实现了具有磁性能的合金材料与具有形状记忆性能的合金材料的一体化成型；本发明所成型的多功能构件，基于镍钛形状记忆合金优异的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，可以用于磁驱动的固态制冷装置，同时，将镍钛合金作为导线，借助其热相变吸能产生的形变效果切割钕铁硼合金的磁感线，可以将环境中的热量变化转化为电能。
附图说明
图1为实施例4中镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件的结构示意图；
图2为实施例5中镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件的结构示意图；
图3为本发明镍钛合金粉末的微观形貌示意图；
图4为本发明钕铁硼合金粉末的微观形貌示意图。
标注说明：1、钕铁硼合金成型件，2、镍钛合金成型件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-4所示，一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料，采用镍钛合金材料与钕铁硼合金材料通过4D打印一体化制作成型，其中，4D打印为选区激光熔化（SLM）技术。
4D打印所使用的镍钛合金材料为球形粉末，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm，4D打印所使用的钕铁硼合金材料为块状颗粒，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm，镍钛合金材料与钕铁硼合金材料近等原子比。
针对镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，列举如下：
实施例1：
镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，包括以下步骤：
S1、利用Magics、UG、SolidWorks等三维建模软件对待4D打印的多材料进行建模，保存为STL格式，输入至4D打印设备中；
S2、4D打印设备的粉末材料为钕铁硼合金粉末，并采用镍钛合金材料板作为基板，将基板磨平后进行喷砂处理，使得合金粉末可以均匀铺在上面，随后在基板上均匀铺一层厚度约为50μm的钕铁硼合金粉末，关闭4D打印设备舱门；
S3、开启气体循环系统，注入氩气保护气体，使得4D打印设备成型腔内的氧含量低于200ppm，同时将基板预热至200℃；
S4、待氧含量及预热温度达到设定值时，开始激光扫描使钕铁硼合金材料成型，激光功率为150W，扫描速度为600mm/s，粉末层厚为50μm，扫描间距为120μm；
S5、钕铁硼合金材料成型完成后，更换粉末材料为镍钛合金粉末，重复步骤S3；
S6、待氧含量及预热温度达到设定值时，以先成型的钕铁硼合金材料的激光工艺参数扫描零件表面2次，使得剩余的钕铁硼合金材料充分熔化；
S7、调整4D打印设备的参数，激光功率为300W，扫描速度为500mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm，以此工艺参数使镍钛合金材料成型，并使得成型后的镍钛合金材料与钕铁硼合金材料产生紧密的冶金结合。
实施例2：
镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，包括以下步骤：
S1、利用Magics、UG、SolidWorks等三维建模软件对待4D打印的多材料进行建模，保存为STL格式，输入至4D打印设备中；
S2、4D打印设备的粉末材料为钕铁硼合金粉末，并采用镍钛合金材料板作为基板，将基板磨平后进行喷砂处理，使得合金粉末可以均匀铺在上面，随后在基板上均匀铺一层厚度约为50μm的钕铁硼合金粉末，关闭4D打印设备舱门；
S3、开启气体循环系统，注入氩气保护气体，使得4D打印设备成型腔内的氧含量低于200ppm，同时将基板预热至200℃；
S4、待氧含量及预热温度达到设定值时，开始激光扫描使钕铁硼合金材料成型，激光功率为180W，扫描速度为700mm/s，粉末层厚为50μm，扫描间距为120μm；
S5、钕铁硼合金材料成型完成后，更换粉末材料为镍钛合金粉末，重复步骤S3；
S6、待氧含量及预热温度达到设定值时，以先成型的钕铁硼合金材料的激光工艺参数扫描零件表面2次，使得剩余的钕铁硼合金材料充分熔化；
S7、调整4D打印设备的参数，激光功率为300W，扫描速度为700mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm，以此工艺参数使镍钛合金材料成型，并使得成型后的镍钛合金材料与钕铁硼合金材料产生紧密的冶金结合。
实施例3：
镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，包括以下步骤：
S1、利用Magics、UG、SolidWorks等三维建模软件对待4D打印的多材料进行建模，保存为STL格式，输入至4D打印设备中；
S2、4D打印设备的粉末材料为钕铁硼合金粉末，并采用镍钛合金材料板作为基板，将基板磨平后进行喷砂处理，使得合金粉末可以均匀铺在上面，随后在基板上均匀铺一层厚度约为50μm的钕铁硼合金粉末，关闭4D打印设备舱门；
S3、开启气体循环系统，注入氩气保护气体，使得4D打印设备成型腔内的氧含量低于200ppm，同时将基板预热至200℃；
S4、待氧含量及预热温度达到设定值时，开始激光扫描使钕铁硼合金材料成型，激光功率为130W，扫描速度为500mm/s，粉末层厚为50μm，扫描间距为120μm；
S5、钕铁硼合金材料成型完成后，更换粉末材料为镍钛合金粉末，重复步骤S3；
S6、待氧含量及预热温度达到设定值时，以先成型的钕铁硼合金材料的激光工艺参数扫描零件表面2次，使得剩余的钕铁硼合金材料充分熔化；
S7、调整4D打印设备的参数，激光功率为250W，扫描速度为1000mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm，以此工艺参数使镍钛合金材料成型，并使得成型后的镍钛合金材料与钕铁硼合金材料产生紧密的冶金结合。
上述技术方案采用镍钛合金材料与钕铁硼合金材料通过4D打印一体化制作成型，且分别采用不同的4D打印工艺将近等原子比的镍钛合金与钕铁硼合金进行结合，对钕铁硼合金充磁后，从而获得同时具有形状记忆效应和磁效应的多功能构件。
针对镍钛合金和钕铁硼合金多材料的应用，列举如下：
实施例4：
请参阅图1所示，镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件，包括中部的镍钛合金成型件2及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件1，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将其用于磁驱动的固态制冷装置。
实施例5：
请参阅图2所示，镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件，包括中部的镍钛合金成型件2及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件1，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将镍钛合金作为导线，借助其相变吸能产生的形变效果切割钕铁硼的磁感线，从而将环境中的热量变化转化为电能。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，其特征在于：采用镍钛合金材料与钕铁硼合金材料通过4D打印一体化制作成型，包括以下步骤：
S1、利用三维建模软件对待4D打印的多材料进行建模，输入至4D打印设备中；
S2、4D打印设备的粉末材料为钕铁硼合金粉末，并采用镍钛合金材料板作为基板，将基板磨平后进行喷砂处理，随后在基板上均匀铺一层钕铁硼合金粉末；
S3、关闭4D打印设备舱门，开启气体循环系统，注入保护气体，使得4D打印设备成型腔内的氧含量低于200ppm，同时将基板预热至100℃-200℃；
S4、待氧含量及预热温度达到设定值时，开始激光扫描使钕铁硼合金材料成型，激光功率为100W-200W，扫描速度为400mm/s-700mm/s，粉末层厚为50μm，扫描间距为120μm；
S5、钕铁硼合金材料成型完成后，更换粉末材料为镍钛合金粉末，重复步骤S3；
S6、待氧含量及预热温度达到设定值时，以先成型的钕铁硼合金材料的激光工艺参数扫描零件表面1-3次，使得剩余的钕铁硼合金材料充分熔化；
S7、调整4D打印设备的参数，激光功率为200W-300W，扫描速度为500mm/s-1100mm/s，粉末层厚为30μm，扫描间距为120μm，以此工艺参数使镍钛合金材料成型，并使得成型后的镍钛合金材料与钕铁硼合金材料产生紧密的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法，其特征在于：4D打印所使用的镍钛合金材料为球形粉末，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm，4D打印所使用的钕铁硼合金材料为块状颗粒，粒径范围为15μm-45μm，氧含量低于1000ppm。
3.一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件的应用，其特征在于：镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件采用权利要求1-2任意一项所述一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法制作，包括中部的镍钛合金成型件及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将其用于磁驱动的固态制冷装置。
4.一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件的应用，其特征在于：镍钛合金和钕铁硼合金多材料构件采用权利要求1-2任意一项所述一种镍钛合金和钕铁硼合金多材料的4D打印方法制作，包括中部的镍钛合金成型件及其两侧与之连接的钕铁硼合金成型件，基于镍钛合金的相变吸能效果，结合钕铁硼合金的磁性能，将镍钛合金作为导线，借助其相变吸能产生的形变效果切割钕铁硼的磁感线，从而将环境中的热量变化转化为电能。
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