【摘 要】
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形状记忆合金是目前智能材料的典型代表,增材制造则被誉为21世纪具有颠覆性的先进制造技术,采用增材制造制备形状记忆合金及其构件,在“3D打印”的基础上增加了第四个维度,成为智能材料制备领域中极具发展潜力和前景的研究主题。然而,采用增材制造制备形状记忆合金时,会造成合金较为严重的记忆功能损失。针对这一问题,本文提出“以微纳粉芯丝材作为增材制造记忆合金用材,发挥高沸点外皮包覆低沸点粉芯进而降低合金元素烧
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形状记忆合金是目前智能材料的典型代表,增材制造则被誉为21世纪具有颠覆性的先进制造技术,采用增材制造制备形状记忆合金及其构件,在“3D打印”的基础上增加了第四个维度,成为智能材料制备领域中极具发展潜力和前景的研究主题。然而,采用增材制造制备形状记忆合金时,会造成合金较为严重的记忆功能损失。针对这一问题,本文提出“以微纳粉芯丝材作为增材制造记忆合金用材,发挥高沸点外皮包覆低沸点粉芯进而降低合金元素烧损,且通过将粉芯中部分元素纳米化即进行纳米掺杂实现强化合金母相等作用,进而抑制增材制造对合金记忆功能的不利影响”的新思路。研究中,以目前应用最广、耐腐蚀性较好的Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金为对象,围绕基于微纳粉芯丝材的Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金增材制造工艺、组织和性能进行研究,探索了Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金粉芯丝材的制备及其增材制造工艺,分析了掺杂不同比例纳米硅的五种微纳粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的微观组织特性,考察了其形状记忆性能和耐腐蚀性能;从而,为拓展Fe基记忆合金的应用领域提供技术支撑,并且丰富和发展增材制造用材尤其是增材制造用粉芯丝材及其相关理论。本文完成的主要工作和获得的主要结果如下:（1）探索了Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金粉芯丝材的制备及其增材制造工艺。通过对丝材制备过程中的配材方案、振动填粉、拉丝减径等环节的研究,获得了本文研究所需粉芯丝材的制备工艺;同时,通过建立粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金过程三维瞬态有限元模型,分析不同输出电流I、电弧扫描速度V下Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金粉芯丝材增材制造过程中温度场变化情况,阐述了工艺参数对Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金增材制造过程中温度场的影响规律,得出了粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金优选工艺参数,即电流大小I=210A、电弧扫描速度为V=0.45m/min。（2）分析了增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的微观组织特性。对比分析了掺杂不同比例纳米硅的五种Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的微观组织、元素组成等组织特性。结果表明,纳米硅掺杂,能够打断合金铸态组织中树枝晶生长,使其逐渐转变为晶粒尺寸较小的胞晶或者等轴晶,而且随着熔融沉积层数的增加这种效果更加明显;同时,经过均匀化以及固溶处理后,合金组织均由奥氏体晶粒组成,其中,掺杂50%纳米硅合金的组织细化程度最为显著;此外,掺杂50%纳米硅的合金中,Si、Mn元素占比与理论占比最为接近且呈现增加态势,表明纳米掺杂对抑制增材制造过程中元素烧损具有积极作用。（3）考察了增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的形状记忆性能。测量了掺杂不同比例纳米硅的五种Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的形状记忆回复率,同时观察了合金形变、形变回复后的组织形貌,得出了纳米硅掺杂对合金形状记忆性能的影响规律,并初步讨论了纳米硅掺杂对合金形状记忆性能的抑损作用。结果表明,随着纳米硅掺杂比例的增加,合金的形状记忆回复率呈现先上升后急剧下降的趋势,其中掺杂50%纳米硅合金的形状记忆回复率相较于常规合金提高了34.97%,掺杂100%纳米硅合金的形状记忆回复率相较于常规合金却下降了80%。分析认为,纳米硅掺杂有利于提高合金成分的准确性和强化母相,而纳米硅掺杂过量时由于其易团聚则会带来不利影响。（4）考察了增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的耐腐蚀性能。对比了掺杂不同比例纳米硅的五种Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金在3.5%Na Cl溶液中腐蚀前后的组织形貌特征、极化曲线、腐蚀阻抗、腐蚀产物等方面。结果表明,随着纳米硅掺杂比例的增加,合金的耐腐蚀能力呈先提高后降低的趋势,这与其对形状记忆性能的影响是一致的;当纳米硅掺杂比例为50%时合金的耐腐蚀性最好,而当纳米硅掺杂比例为100%时合金的耐腐蚀性最差。分析认为,纳米硅掺杂使得合金晶粒细化以及其保护了钝化膜生成的重要元素Si和Cr,使得增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni记忆合金的耐腐蚀性提高,而过量的纳米硅掺杂由于团聚则会恶化其耐腐蚀性。
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