NiTi形狀記憶合金的雷射熔化成形及其相變行為研究

《NiTi形狀記憶合金的雷射熔化成形及其相變行為研究》是依託華中科技大學，由王澤敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：NiTi形狀記憶合金的雷射熔化成形及其相變行為研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王澤敏
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

以粉末為原料的雷射熔化成形技術是製備複雜NiTi形狀記憶合金零件，解決其加工難題的理想方法。但在雷射快速熔化和凝固以及後續非穩態重複熱循環作用下，NiTi合金的相變行為將呈現獨特的變化規律，並影響到NiTi合金的形狀記憶效應和超彈性，而上述科學問題的研究尚屬空白。本項目以Ni-Ti混合粉末為原料，在研究NiTi合金雷射熔化成形質量的基礎之上，重點研究不同Ni/Ti比例和成形工藝下Ni-Ti元素的反應熔化和擴散結合機理，NiTi合金的正逆相變類型、相變溫度、熱滯、相變熱焓及體積轉變率等相變行為，探索複雜雷射熱作用條件下NiTi合金的相變機理，找出影響NiTi合金相變行為的關鍵雷射熔化成形工藝參數，掌握雷射熔化成形過程中控制NiTi合金相變行為的方法。結合成形NiTi合金的形狀記憶效應和超彈性性能評價，建立調控NiTi合金相變溫度和性能的雷射熔化成形基礎工藝資料庫，為該技術的套用奠定理論基礎。

結題摘要

近等原子比的NiTi合金具有穩定的形狀記憶效應和超彈性功能，但其加工特性較差導致套用範圍較窄。本項目提出選區雷射熔化Ni/Ti混合粉末成形實現NiTi合金製備和複雜零件快速製造有機融合的新方法，以解決NiTi合金的加工難題。採用球磨工藝準備了Ni/Ti原子比為49:51，50:50和51:49的三種混合粉末，完成了NiTi試樣的選區雷射熔化成形，並對成形質量、合金的相變行為和形狀記憶效應等展開了研究。球形的混合粉末比非球形混合粉末更適合選區雷射熔化成形工藝，在較高的雷射能量密度下能製造出緻密度在99%以上的試樣。SLM成形獲得的NiTi合金均具有形狀記憶效應，其物相主要為NiTi相，包括立方結構的B2母相和單斜結構的B19'馬氏體相。在-40～120℃升溫降溫過程中，NiTi合金均有相變行為發生，均有且僅有一次奧氏體相變，但存在次數不等的馬氏體或R相變。無論是升溫或降溫過程，NiTi合金的相變溫度區間都比傳統的同成分NiTi合金更寬。在所有成形參數下，奧氏體轉變溫度區間相差不大，而馬氏體轉變溫度區間則有明顯區別。隨著Ni含量從49at%升高到51at%，NiTi合金的奧氏體相變特徵峰值向低溫方向移動，由77.2℃下降到59.2℃。而R相變有一個從無法辨別到不明顯，再到明顯的過程，並且相應的馬氏體相變特徵峰值向低溫方向偏移，峰值溫度由47.2℃下降到17.1℃。儘管奧氏體和馬氏體相變特徵峰值都向低溫方向移動，但隨著Ni含量的升高，馬氏體相變熱滯從-0.4℃增加到19℃，而R相變熱滯則明顯減少。雷射功率的增加導致馬氏體正相變特徵溫度有所增大，但對馬氏體逆相變無明顯影響。馬氏體正逆相變特徵溫度均隨著掃描速度的增加而增大，且其特徵峰均呈現寬化現象。搭接率和切片層厚對各相變特徵溫度並無明顯的影響。隨著取樣位置的升高，馬氏體相變熱滯和R相變熱滯均減小。雷射的快速加熱使Ni和Ti元素難以完全相互擴散，首先生成NiTi2和TiNi3，並在後續熱循環作用繼續擴散形成NiTi相。雷射成形的NiTi合金由定向的細小枝晶構成，成分較均勻。晶粒細化和NiTi2相所造成的成分偏析是NiTi合金相變特徵溫度變化的根本原因，並導致形狀記憶效應改變。通過均勻混合Ni/Ti 粉末、改變工藝參數可控制NiTi合金的熔凝過程，進而控制最終的物相組成和晶粒尺寸，改變NiTi合金的形狀記憶效應和超彈性性能。