CN117102499A - 具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用。本发明属于形状记忆合金领域。本发明的目的是为了克服现有NiTi形状记忆合金相变温度区间较窄以及高温和低温性能不足的技术问题。本发明采用电子束熔丝沉积技术，按单向扫描模式，将异质双丝在垂直方向上进行交替打印，获得层状异构组织NiTi形状记忆合金。本发明通过调控打印参数以及设置层间冷却时间，制备出成形良好、组织致密、性能优异的层状异构组织NiTi形状记忆合金。用异质双丝沉积层状结构可以在层间区域改变Ni的含量，从而拓宽相变温度区间，在高温下会具有良好的超弹性；此外，在常温条件下也具有形状记忆效应及良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于形状记忆合金领域，具体涉及一种具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用。
背景技术
NiTi形状记忆合金是一种等原子比或近等原子比合金，当Ni和Ti元素含量不同时，合金中除了NiTi相外，还会有第二相析出，包括Ti3Ni4、Ti2Ni3、TiNi3、Ti2Ni。近等原子比NiTi合金具有形状记忆效应、超弹性、高阻尼等功能特性，其本质原因是高温母相B2奥氏体和低温B19’马氏体之间的非扩散性热弹性马氏体相变。另外，NiTi形状记忆合金还具有良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性，因此被广泛应用于航空航天、建筑、生物医疗等领域。
目前，制备NiTi形状记忆合金的常规方法包括熔铸与机加工、粉末冶金等。由于Ti是非常活泼的金属元素，熔炼或粉末冶金过程中易与C、N和O等元素反应生成TiC、Ti4Ni2O等化合物，使得合金的机械性能和功能特性下降。此外，由于NiTi合金特殊的形状记忆效应和抗变形能力，以及冷加工过程中的加工硬化，会对铸锭的加工造成一定的困难。粉末冶金可以近净成形复杂结构的NiTi合金部件，但由于Ti和Ni元素的扩散系数不同、形成Ti2Ni和Ni3Ti化合物以及毛细效应等因素的存在，导致很难得到致密的NiTi实体，且制备工艺复杂、生产周期较长、成本高昂，一定程度上限制了大型复杂NiTi形状记忆合金构件的制备和应用。另外，上述传统成形工艺在结构调控的灵活性方面明显乏力。相比之下，具有逐点熔化、逐线搭接、逐层堆积特点的增材制造技术不仅能够一体化成形具有复杂几何形状的材料构件，还可以协同推进合金化与工艺过程，即在特定位置创建特定的成分与组织结构特征。目前，已实现的利用电子束熔丝沉积技术制备NiTi形状记忆合金构件均局限在单一成分丝材沉积，表现出较窄的相变温度区间，且性能尚不及传统工艺制备的NiTi合金。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有NiTi形状记忆合金相变温度区间较窄以及高温和低温性能不足的技术问题，本发明提供一种具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：
本发明的目的之一是提供一种具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：
采用电子束熔丝沉积技术，按单向扫描模式，将Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝和Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝在垂直方向上进行双丝交替打印，获得层状异构组织NiTi形状记忆合金。
优选的，打印工艺参数为：加速电压U为60kV、聚焦电流If为1000mA、送丝速度VF为3000mm/mim、束流密度Ib为30-40mA、移动速度VT为300-400mm/min，并设置层间冷却时间。
更优选的，束流密度Ib为35mA。
更优选的，移动速度VT为350mm/min。
更优选的，层间冷却时间为30s。
优选的，Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝的直径为1mm。
优选的，双丝在使用前进行预处理，具体过程为：先酸洗然后丙酮浸泡清洗，去除表面油污杂质，最后干燥。
优选的，基板为Ni50.8Ti49.2。
更优选的，基板在使用前进行预处理，具体过程为：先使用砂纸打磨至表面光滑洁净，然后使用丙酮擦拭去除表面油污杂质，最后干燥。
优选的，打印时真空度为7×10-2Pa。
优选的，打印时，先使用Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝在基板上打印一层，经过层间冷却后利用Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝继续打印一层，按照此顺序交替打印。
本发明的目的之二是提供一种按上述方法获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金。
本发明的目的之三是提供一种按上述方法获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金在航空航天、建筑、生物医疗领域的应用。
本发明与现有技术相比具有的显著效果：
本发明以Ti50.5Ni49.5(at.％)合金丝和Ni50.7Ti49.3(at.％)合金丝为原材料，通过电子束熔丝沉积技术，按照CAD规划的路径，在基板上进行双丝交替打印，通过调控打印参数以及设置层间冷却时间，制备出成形良好、组织致密、性能优异的层状异构组织NiTi形状记忆合金。本发明相比于现有技术具有以下优点：
(1)本发明可以实现NiTi形状记忆合金的快速沉积，通过调节工艺参数和层间冷却时间，可获得成形良好、组织致密，且具有层状异构组织的NiTi形状记忆合金；
(2)本发明用异质双丝沉积层状结构可以在层间区域改变Ni的含量，而Ni的含量不同会影响相变点，因此可以拓宽相变温度区间，As和Af分别为34.26℃和51.20℃，在高温下会具有良好的超弹性；此外，在常温条件下也具有形状记忆效应及良好的力学性能表现出597.4Mpa的抗拉强度和5.89％的延伸率，并具有明显的马氏体相变特征，明显优于单丝制备的NiTi合金；
(3)本发明提供的方法可实现NiTi合金结构/功能一体化设计制备，并有望实现复杂构件的近净快速成形；
(4)本发明提供的制备方法具有推广性，可应用到其他高熔点高活性合金的快速制备和复杂异质构件的近净成形，实现复杂构型的结构-功能一体化快速制备。
附图说明
图1为本发明电子束双丝熔化沉积增材制造过程的示意图；
图2为实施例1获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金在垂直于扫描方向的截面的金相图；其中，上、中、下分别对应垂直方向上的不同位置；
图3为实施例1获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金的相变行为；
图4为实施例1获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金的拉伸性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
下述实施例中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。
本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。
本发明所述“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
在发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
实施例1
结合图1，本实施例的具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金的制备方法按以下步骤进行：
(1)双丝预处理：首先，将直径为1mm的Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及直径为1mm的Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝酸洗处理，去掉表层氧化膜，然后用丙酮浸泡清洗，保证Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝表面无油污杂质，最后将Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝置于干燥烘箱中，在60℃条件下保温处理3h。
(2)基板预处理：首先使用砂纸对尺寸为150mm×100mm×20mm的Ni50.8Ti49.2基板进行打磨，打磨至Ni50.8Ti49.2基板表面光滑洁净；然后使用丙酮擦拭表面，去掉Ni50.8Ti49.2基板表面的油污杂质；最后将Ni50.8Ti49.2基板置于干燥烘箱中，在60℃条件下保温处理3h。
(3)装配：将经过预处理后的Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝分别安装在电子束熔丝沉积设备的各送丝机构上，将经过预处理后的Ni50.8Ti49.2基板夹装在电子束熔丝沉积设备真空室内的运动系统上，待电子束熔丝沉积设备真空室真空度达到使用要求(7×10-2Pa)时进行打印。
(4)打印：设置如下加工参数：加速电压U为60kV、聚焦电流If为1000mA、送丝速度VF为3000mm/mim、束流密度Ib为35mA、移动速度VT为350mm/min，层间冷却时间为30s，按照单向扫描的模式，先利用Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝在Ni50.8Ti49.2基板上沿垂直方向打印一层，经过层间冷却后利用Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝继续沿垂直方向打印一层，按照此顺序交替打印至垂直方向尺寸为45mm。
图2呈现了垂直于扫描方向的沉积体截面金相，可以看到截面组织以沿着建造方向的柱状晶为主，同时存在着局部的等轴晶晶区(用蓝线区分柱状晶和等轴晶)，这是因为在本发明所涉及的电子束双丝熔化沉积增材制造工艺中，层与层之间设置了30s的停留时间，有利于层间温度的传输和沉积体的冷却，促进新的沉积层在熔化和凝固时因局部激冷而形成等轴晶。由此可知，本发明实施例1中电子束双丝熔化沉积增材制造的NiTi形状记忆合金存在层状异构组织。
本发明实施例1中电子束双丝熔化沉积增材制造的层状异构组织NiTi形状记忆合金的相变行为如图3所示。从图中可以发现，As和Af分别为34.26℃和51.20℃，这表明本发明电子束双丝熔化沉积增材制造的层状异构组织NiTi形状记忆合金在高温服役环境下具有良好的超弹性；同时，加热过程中出现了多峰交叠的情况，降温过程中也出现了多个相变峰，这是因为打印过程中富Ti/富Ni合金丝交替打印，而Ni含量会影响相变点，导致不同区域的相变温度不同，进一步说明了本发明实施例1中电子束双丝熔化沉积增材制造的NiTi形状记忆合金为层状异构组织。
此外，图4为实施例1获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金的室温拉伸性能。由图4所示，本发明电子束双丝熔化沉积增材制造的层状异构组织NiTi形状记忆合金在室温下具有优异的力学性能，其抗拉强度和延伸率分别是597.4MPa和5.89％。
综上所述，本发明提供的增材制造方法可以实现层状异构组织NiTi形状记忆合金的制备，通过调节工艺参数和层间冷却时间，可获得成形良好、组织致密，且具有层状异构组织的NiTi形状记忆合金，对降低生产成本、缩短加工流程、设计复杂微观结构的NiTi形状记忆合金部件具有极大的价值，且可以拓展到其他高熔点高活性合金的近净成形，实现复杂构型的结构-功能一体化快速制备。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
采用电子束熔丝沉积技术，按单向扫描模式，将Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝和Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝在垂直方向上进行双丝交替打印，获得层状异构组织NiTi形状记忆合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打印工艺参数为：加速电压U为60kV、聚焦电流If为1000mA、送丝速度VF为3000mm/mim、束流密度Ib为30-40mA、移动速度VT为300-400mm/min，并设置层间冷却时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，束流密度Ib为35mA，移动速度VT为350mm/min。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，层间冷却时间为30s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝及Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝的直径为1mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基板为Ni50.8Ti49.2。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打印时真空度为7×10-2Pa。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，打印时，先使用Ti50.5Ni49.5形状记忆合金丝在基板上打印一层，经过层间冷却后利用Ni50.7Ti49.3形状记忆合金丝继续打印一层，按照此顺序交替打印。
9.权利要求1-8任一项所述的方法获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金。
10.权利要求1-8任一项所述的方法获得的层状异构组织NiTi形状记忆合金在航空航天、建筑、生物医疗领域的应用。
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| CN202311178933.5A CN117102499A (zh) | 2023-09-13 | 2023-09-13 | 具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用 |
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| CN202311178933.5A CN117102499A (zh) | 2023-09-13 | 2023-09-13 | 具有宽相变温度区间的层状异构组织NiTi形状记忆合金及其制备方法和应用 |
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| CN117102499A true CN117102499A (zh) | 2023-11-24 |
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ID=88796420
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Country Status (1)
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2023
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