[發明專利]一種鎳鈦基三元形狀記憶合金的4D打印方法

在審

• 申請號: 202010562592.1
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111842888A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 劉潔;張媛玲;宋波;禹林;閆春澤;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C22C19/03;C22C1/04;B33Y70/00;B33Y10/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明屬于4D打印增材制造技術領域，公開了一種鎳鈦基三元形狀記憶合金的4D打印方法，其特征在于，該方法是采用激光選區熔化技術打印氣霧化預制的NiTiZr三元合金粉末，打印得到的構件具有形狀記憶功能；通過改變激光選區熔化技術所采用的工藝參數進而改變激光能量密度，從而調控打印件的組織和性能的變化。本發明通過向現有鎳鈦二元合金中引入第三元組分Zr，顯著提高了馬氏體相變溫度，采用激光選區熔化技術成形，在保證優異的形狀記憶性能和力學性能的同時，利于獲得組織均勻、致密度高的復雜零件。

技術領域

本發明屬于4D打印增材制造技術領域，更具體地，涉及一種鎳鈦基三元形狀記憶合金的4D打印方法，是一種NiTiZr三元形狀記憶合金的增材制造方法。

背景技術

4D打印屬于增材制造技術，可引入激勵響應的智能材料，通過增材制造技術成形智能材料，打破了傳統3D打印的靜止狀態，增加了自組裝、自傳感、自適應性能，為高端智能構件的制造帶來了新的發展契機。

NiTi合金作為一種重要的形狀記憶合金智能材料，因其優良的形狀記憶效應、超彈性、高阻尼性、耐蝕性、生物相容性等優點，廣泛應用于航空航天、汽車、生物醫療、石油等領域。但鎳鈦二元合金轉變溫度低，不超過100℃，限制了其在高溫場合下的應用。近年來研究發現加入元素可改變NiTi合金的相變溫度范圍，改善材料穩定性和記憶性能。使用Zr替代Ti得到的NiTiZr三元合金可顯著提高NiTi合金的馬氏體相變溫度，這對于擴寬NiTi合金的使用范圍、研究功能梯度制造及復合制造均有重要意義。

另外，由于NiTi基合金加工過程中回彈效應、加工硬化、毛刺等現象，傳統冷加工方法難以滿足零件制造需求。傳統高溫加工方法(如熔煉和鑄造等)存在雜質含量增加、氧化夾雜等問題，從而影響形狀記憶效果。現有研究已成功通過平面流鑄技術快速凝固NiTiZi薄帶，濺射沉積制備NiTiZi薄膜，等徑角擠壓制備NiTiZi塊體。但上述制備方法形狀單一，成形精度低，難以滿足4D打印構件復雜結構的制造需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種鎳鈦基三元形狀記憶合金的4D打印方法，通過向現有鎳鈦二元合金中引入第三元組分Zr，顯著提高了馬氏體相變溫度，采用激光選區熔化技術成形，在保證優異的形狀記憶性能和力學性能的同時，利于獲得組織均勻、致密度高的復雜零件。本發明首次利用激光選區熔化技術能夠得到NiTiZr形狀記憶合金件，通過改變激光工藝參數獲得不同激光能量密度的打印件，從而改變打印件的力學性能、組織、形狀記憶性能和相變溫度。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種鎳鈦基三元形狀記憶合金的4D打印方法，其特征在于，該方法是采用激光選區熔化技術打印氣霧化預制的NiTiZr三元合金粉末，打印得到的構件具有形狀記憶功能；通過改變激光選區熔化技術所采用的工藝參數進而改變激光能量密度，從而調控打印件的組織和性能的變化。

作為本發明的進一步優選，所述NiTiZr三元合金粉末為粒徑滿足15～53μm的Ti_42.5Ni_49.5Zr₈粉末，優選的，平均粒徑為33μm。

作為本發明的進一步優選，所述激光選區熔化技術所采用的激光掃描策略為條帶分區加層間旋轉，其中，分區寬度為4～10mm，層間旋轉角度為16°～67°。

作為本發明的進一步優選，所述分區寬度為10mm，所述層間旋轉角度為16°。

作為本發明的進一步優選，所述激光選區熔化技術所采用的打印參數設置為：激光功率為160～280W，掃描速度為700～1300mm/s，掃描間距為0.12mm，鋪粉層厚為0.03mm，基板預熱溫度為200℃。

作為本發明的進一步優選，所述激光選區熔化技術所采用的工藝參數設置為：激光功率250W，掃描速度1000mm/s，激光能量密度為69.44J/mm³。