NiTi/CuSn10异质材料激光粉末床熔融成形组织与性能

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由于具有优异的形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)、超弹性(Superelasticity,SE)、生物相容性及耐腐蚀性,NiTi合金已经被应用于传感、驱动、医疗等多个领域。NiTi合金与CuSn10合金异质材料一体化成形能够将NiTi合金优良的形状记忆性能与CuSn10合金的优良特征相结合,拥有广泛的应用前景。粉末床激光熔融技术(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)为此提供了一种可行的方法。然而,目前NiTi合金LPBF成形还存在许多问题,容易形成孔洞裂纹等缺陷,难以获得较高的力学性能,且NiTi合金的SME调控困难。同时,NiTi合金与CuSn10合金的物理化学性质相差很大,界面结合困难。本文主要从NiTi及CuSn10单一合金LPBF组织与性能、NiTi/CuSn10异质材料一体化成形组织与性能、NiTi合金结构设计、性能及应用初探三方面为成形NiTi/CuSn10异质材料提供理论及实验基础。研究思路主要是先研究NiTi及CuSn10的单一材料工艺,为成形NiTi/CuSn10异质材料提供工艺基础。在此基础上,再研究工艺参数对NiTi/CuSn10异质材料界面结合性能的影响。最后再在这两者的基础上尝试设计NiTi合金的结构、测试其性能并对异质材料的应用进行初步探索。研究内容如下:1)对LPBF成形的NiTi合金进行致密度的工艺分析。进行了力学性能的优化,延伸率可达16.9%,抗拉强度可达525.8 MPa。探究了重熔工艺对成分的影响,从而调控SME。最后研究了不同工艺参数对相变行为的影响。对LPBF成形的CuSn10合金进行了致密度的工艺分析,探索了导电率受工艺参数的影响,并进行了力学性能的优化,延伸率可达31.4%,抗拉强度可达562.9 MPa。最后探究了CuSn10微小特征成形极限值。2)选取梯度步进法,将CuSn10合金作为过渡层,采用先成形NiTi合金再成形CuSn10合金的方法,利用不同的工艺参数成形界面区域,观察了界面处的缺陷类型、晶粒种类及大小。之后探索了界面区域宽度随着能量密度的变化趋势,并观察了界面处的元素扩散。然后分析了界面区域硬度变化的原因,并对界面处进行了物相检测。最后对界面结合强度进行了测试及断口分析,总结得出当工艺参数合适时,在界面柱状晶粒的强化、界面区域晶粒的细化和适当含量的Ni4Ti3强化的作用下,界面结合强度能够得到提高,实验中最高的界面结合强度可达309.7 MPa。3)建立了6种常规多孔单元体,利用LPBF对试样进行成形。对成形后的试样分别进行压缩及拉伸破坏实验,得出试样的极限强度及应变。在此基础上确定最佳性能的多孔单元体。实验结果显示,30%实体菱形十二面体多孔结构拥有最好的压缩特性,而二维菱形多孔结构拥有最好的拉伸特性。分析原因后,初步设计了一种智能保险丝,并进行了成形。
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