激光选区熔化制造镍钛形状记忆合金的基础研究

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近等原子比的镍钛合金(NiTi)拥有优异的耐腐蚀性、耐磨性以及良好的力学性、生物相容性而被广泛应用于各工程领域,而最受关注的则是独特的形状记忆性,这是它常应用于航空航天、汽车工业以及医疗器械领域最重要的功能特性,例如口腔矫正丝。但也正由于这些优点和化学活泼性,导致在传统制造、机加工过程中难以控制成分以及精确的结构,使后续的应用多为丝、棒、板与管状等简单几何。这极大限制了Ni-Ti系形状记忆合金的应用潜力。本论文利用激光选区熔化(SLM)制造NiTi合金。SLM是常见的增材制造技术的一种,在复杂结构件的制造上有很大优势,可被用来解决NiTi合金成型难的问题。但SLM成型过程较为复杂,如极大冷却速率导致的残余应力、能量过大与不足导致的孔隙裂纹以及不当的工艺参数造成的脆性析出相等都会造成NiTi合金制件性能不足,且SLM所涉及的工艺参数繁多,使得寻找最优工艺参数的过程较为困难。在以往研究中,不同研究者都给出了最优工艺参数范围,但获得的结论以及观察到的现象并不一致,这很大一部分原因是SLM设备以及材料厂家不同导致的,还有一部分原因可能是工艺参数的排列组合太多,不能够一一排列的去试,有可能漏掉最优的参数或最优参数不止一个,导致研究者观察到结果不一致。因此,需设计完整的共性工艺流程,并能建立制造工艺窗口,最终制备出性能良好的NiTi合金制件。其次,由于NiTi合金的功能特性在本质上是热弹性马氏体相变,即奥氏体与马氏体的可逆性相变造成的,所以合金中的这两相比例非常重要。而影响相变行为的基本因素之一是化学成分(Ni-Ti比),在SLM过程中,复杂的工艺参数匹配会使成分比例发生变化造成相变温度改变,进而使奥氏体与马氏体比例变化,这对NiTi合金制件的应用非常关键。因此,建立完整的相变工艺窗口,对设计、生产具有预期相变行为的NiTi合金制件有重要的意义。本论文中,我们首先研究了激光功率与扫描速度对熔池形状的影响。通过单因素实验获得了关键工艺参数激光功率和扫描速度的优化区间分别为50~90W和100~900mm/s。因为激光是能量输入的核心,对熔池的影响最大,所以即便控制扫描速度使线能量密度不变,熔池宽度也会随激光功率增加而增大。这就会出现能量密度相同而最终NiTi制件性能不同的情况,扫描间距可以调控熔池搭接程度来优化这种情况所制造的合金性能。通过实验获得扫描间距的优化范围为60~150μm。在此基础上,对扫描间距进行共性研究,发现“最优能量密度”不是恒定不变的,并建立了制造工艺窗口。其次,根据“最优能量密度”的分布,建立了相变工艺窗口与机理研究。这两个窗口的建立步骤为SLM制造NiTi合金并利用工艺参数调控相变行为提供了共性方法。最后,从扫描策略的角度,使用重熔工艺为解决NiTi合金的SLM工艺窗口狭窄问题提供了思路。
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