激光选区熔化成形NiTi形状记忆合金技术基础研究

激光选区熔化成形NiTi形状记忆合金技术基础研究

Ni-Ti系形状记忆合金拥有丰富的相变过程、优异的形状记忆效应和超弹性性能以及良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性,近年来,被广泛应用于航空航天、机械制造、工业自动化、仪器仪表及生物医学等领域。其成形方法主要分为熔铸机加法和粉末冶金法,前者在熔炼和机械加工过程中容易引入C、O等杂质元素且合金冷加工性能差,后者则需借助模具生产显著增加制造成本且零件力学性能较差,而激光选区熔化技术结合增材和熔融的特点可以有效解决NiTi合金成形的难题。考虑到Ni-Ti原子比会显著影响近等原子比NiTi合金的马氏体相变和形状记忆性能,Ni、Ti混合粉末作为原材料可快速调节NiTi合金相关性能,然而国内外关于Ni、Ti混合粉末的激光选区熔化成形的相关研究几乎没有。因此,本文对激光选区熔化成形NiTi 形状记忆合金的成形质量、Ni-Ti反应过程、组织特征和演变机制、相变行为以及形状记忆效应进行了深入研究。主要结果总结如下:本文首先研究了 SLM制造的NiTi合金试样的成形质量。NiTi复合粉末SLM成形的单熔覆道具有明显的分层特征,且成分分布不均匀,通过横向搭接重熔可提高成分均匀性。通过单因素实验获得关键工艺参数激光功率和扫描速度的优化的区间分别为160-200 W和5-25 m/min,此外还需将线能量密度E控制在0.38-1.44 J/mm之间方可获得外观无缺陷的NiTi合金试样。宏观裂纹是NiTi合金SLM成形的重要缺陷,主要来源于激光加工过程中的热应力诱导下微观裂纹沿富镍区的扩展。此外,NiTi合金试样成分会偏离设计成分,其中钛元素的损失明

显比镍元素大,其主要的原因在于金属粉末的直接蒸发和成形过程中单质原子粉末的直接逃逸。SLM成形的NiTi合金试样的物相组成和组织结构是各项性能的基础。在室温下,各工艺参数下成形试样的物相组成的主要部分都是NiTi相的两种形式B2和B19’,这是试样具有形状记忆效应的前提条件。但物相构成和组织结构仍受到线能量密度的显著影响,可分为三类:高能量密度下成形的试样晶粒细小,主相NiTi(B2和B19’)晶粒凝固后Ti2Ni相在其缝隙中凝固;中等能量密度下成形的试样晶粒偏大,几乎全部为NiTi相;低能量密度下成形试样中存在较多的未熔物和杂质相,且NiTi相的晶界也不明显。根据Ni、Ti混合粉末单熔覆道的微观形貌可见,单质Ni粉末和单质Ti粉末组成的复合粉末SLM成形机理与NiTi预合金化粉末的机理存在显著差别,元素间的化学反应及熔池搅拌效应对沉积层成分及均匀性影响显著。结合成形后NiTi合金的组织特征及SLM“线-面-体”的加工原理,单模激光器带来的高功率密度激光束穿透多层熔覆层,并实现多次重熔的工艺特征对NiTi合金成分均匀性贡献很大。温度场的模拟结果也证明了多次重熔的重要性,同时指出小孔效应是促使成分均匀化的另外一个原因。NiTi合金试样的相变行为受物相和组织结构的影响很大。高线能量密度下获得的细小晶粒和低残余应力试样具有明显的马氏体相变特征;降低一定程度的线能量密度,试样晶粒粗大,NiTi相富镍且内部残余应力巨大,抑制相变行为的发生;低能量密度下成形的试样直接形成了杂质相而导致局部区域会出现一定量的平衡NiTi相,而且宏观裂纹释放了部分残余应力,改善了马氏体相变

环境。即三种表现形式:强相变行为,异常相变行为和弱相变行为。尽管具有气孔、裂纹等缺陷,但本文制造的绝大多数NiTi试样均具有形状记忆效应。随着预变形量的增大,各成形试样的形状回复率都下降。其中预变形量为1%时所有试样在加热到150℃以上后均可完全回复

到初始状态,超过1%的预变形量则无法完全回复。形状回复率和弯曲性都比较好的SLM试样为激光功率180 W成形的NiTi合金,预变形量达到6%时回复率仍在85%以上。与传统的铸造工艺、粉末冶金工艺相比,采用SLM成形的NiTi合金在马氏体相变温度、相变区间等主要技术参数方面具有非常良好的参数值。特别是采用SLM成形的NiTi合金,相变能量最高达到27.7 J/g,最低也有19.6 J/g,显示出非常优秀的特征,远高于传统的铸造工艺和粉末冶金工艺制备的NiTi合金相

变能量。证明SLM成形技术在制造NiTi形状记忆合金方面具有明显的技术优势。