激光选区熔化制备镍钛合金的研究进展

激光选区熔化制备镍钛合金的研究进展汇报人：温宇航日期：2023/11-摘要1工艺研究进展2结语3摘要PART.1摘要近等原子比的镍钦(NiTi)形状记忆合金凭借其优异的形状记忆效应及超弹性而备受关注，是具备传感与驱动为一体的智能材料凭借其优异的功能特性,镍钦合金在医疗器械、航空航天、交通等众多领域中是最有前途的功能性材料之一然而，由于镍钦合金的高强度、化学活性高以及机加工性能差，目前采用传统方法制备的镍钦合金大多是几何形状简单的小型器件，这极大限制了镍钦合金应用范围的推广和性能改善因此，对以ＳＬＭ为代表的金属３Ｄ打印工艺在制备ＮｉＴｉ合金，以及其工艺参数对成形件质量、显微结构、相变温度和力学性能的影响进行了阐述．关键词：镍钛合金；形状记忆合金；３Ｄ打印；激光选区熔化工艺研究进展PART.2工艺研究进展１．１ＳＬＭ参数对成形件质量的影响3D打印金属构件的质量受表面粗糙度和致密度影响，其中表面粗糙度影响工件表面质量，致密度则影响工件的力学性能在SLM过程中，体能量密度E可表征多个SLM成形参数的共同作用机制，E=P/(vh)，其中P为激光功率，v为激光扫描速度，h为扫描间距，t为每层的铺粉厚度在过低体能量密度条件下，会导致粉末熔化不充分、熔池较小，进而产生结合差、裂纹、翘曲和孔洞等缺陷表面成形质量主要受到扫描速度和激光功率的影响当采用过低扫描速度或过大功率时，熔池凝固后表面会有波纹状褶皱当扫描速度过快或激光功率过小时，会产生球化现象工艺研究进展在一定范围内合理搭配激光功率和扫描速度时，成形件有较优异的表面粗糙度，但对致密度有一定影响工艺研究进展NEXT(ａ)不同激光功率下ＮｉＴｉ合金致密度受扫描速度的影响；(ｂ)致密度随激光能量密度的变化趋势显微结构是影响材料性能的重要因素，其中包括晶粒取向和晶粒大小．晶粒的生长方向沿着温度梯度为负的方向，在ＳＬＭ工艺中，晶粒经历多次扫描过程，反复出现熔化再结晶过程，取向会受到激光斑点移动方向的影响．由于ＳＬＭ是将工件从基板垂直向上构建，激光斑点总是在最上层，因此＜００１＞的织构大量产生．同时，ＳＬＭ工艺得到的晶粒尺寸受冷却速率影响，冷却速率大则晶粒尺寸小，织构的择优取向也会弱化．Ｙａｎｇ等人［２３］选用６０Ｗ的激光功率、扫描速度３００～４８０ｍｍ／ｓ后发现：随扫描速度增加，Ｂ２相增多，位错密度减小工艺研究进展随着能量密度的增加，在垂直于基板方向上，＜００１＞和＜１１１＞的织构明显增强．Ｓａｅｄｉ等人和Ｂｏｒｍａｎｎ等人也在实验中发现，由于热梯度方向影响，ＮｉＴｉ晶粒趋于沿着垂直于基板的方向生长［１２，２２，２４］．Ｂｏｒｍａｎｎ等人［１２］在实验中采用１３３ｍ／ｓ的扫描速度，５６～１００Ｗ的激光功率制备Ａ１～Ａ４样品时发现：随激光功率增加，晶粒尺寸会变大工艺研究进展当采用８０Ｗ激光功率，扫描速度从１９０ｍｍ／ｓ减小到１０７ｍｍ／ｓ时，Ｂ１～Ｂ５样品的晶粒尺寸没有产生明显变化(图４)，这与扫描速度变化范围较小且样品数量较少有关．总的来说，能量密度对晶粒大小并没有直接影响，但是冷却速率会影响晶粒尺寸，较快的扫描速率会产生大的冷速工艺研究进展显微结构主要受温度梯度和冷却速率的影响，扫描速率越大、激光功率越小，会导致冷却速率越大．因此，可通过调控这两个变量实现不同显微组织的调控１．３ＳＬＭ参数对相转变温度和室温下的相组成的影响NiTi合金具有超弹性和形状记忆性等功能特性，广泛应用于各个领域其相转变温度的变化主要取决于成形后Ni的含量，所有影响成形后Ni含量的因素都会对相转变温度造成影响因此，SLM成形所用NiTi合金粉末的初始Ni含量对最终性能至关重要在激光扫描速度较低的情况下，Ni的蒸发更多，相转变温度升高，马氏体在室温下更稳定，形状记忆性更好工艺研究进展相反，较高的激光扫描速度有利于奥氏体相稳定性，超弹性更好因此，基于不同的激光能量密度或扫描参数，可以有效控制相转变温度，最终实现NiTi合金综合性能的调控激光功率的升高会增加Ni的烧损，导致相转变温度升高，增强B19'相的稳定性随着激光功率的增加，B2→B19'的转变增强，相转变温度和相变焓直线增加用SLM的方法制备的Ni含量50.7%的NiTi合金粉的相转变温度随着扫描速度的增加而逐渐下降在300m/s的低速扫描下，XRD图像会产生明显的B19'相峰，随着扫描速度增加，B19'的峰逐渐减小工艺研究进展NEXT在SLM制备条件下进行实验，结果表明：在1800ppm高氧含量下制备出的SLM试样的Ms点随扫描速度增加从40℃以上降到-20℃以下，经1000℃固溶120min处理后Ms温度整体下降30℃左右，但是变化范围没有减小而在220ppm低氧条件下制备出的试样的Ms点在10~20℃左右，经相同固溶处理后Ms的变化范围降到10℃以内，都在0℃附近这是因为在氮氧含量较高的气氛中会形成Ti4Ni2O和TiN，这种微粒在固溶处理时不会溶解，所以固溶处理后转变温度趋势不变通过上述内容可以看到，NiTi合金的相变和相组成受成品Ni含量控制，而其相转变温度则受到多个因素的影响，包括激光功率、扫描速度等SLM成形参数以及氧含量等环境因素。为了实现NiTi合金综合性能的调控，需要综合考虑这些因素并进行多次参数试验。此外，通过初始粉末的选取和参数设定可以预判成品大概的Ni含量，如需细微调控可以进行热处理来解决工艺研究进展ＮｉＴｉ合金有超弹性和形状记忆性的特殊力学性能特点．例如，ＮｉＴｉ合金具有良好的超弹性力学性能，可在施加８％的应变卸载后完全恢复初始形状［４］．为了实现ＳＬＭ制备的ＮｉＴｉ性质记忆合金力学性能的优化，基于激光工艺参数的相组成和微观结构调控成为了重要的影响因素．对一些现有ＳＬＭ制备的ＮｉＴｉ合金力学性能研究成果列于表２．Ｗａｎｇ等人［２８］的研究结果表明，形变恢复率具有随ｖ和ｈ增大而升高，随Ｐ增大而减少的趋势，但是其机理还有待进一步研究．Ｙａｎｇ等人［２３］发现：随着扫描速度的提高临界应力也越高，这是由于在高速扫描下会产生更多Ｂ２相，而在低扫描速度下产生的Ｂ１９'／Ｂ１９'界面的驱动力要小于高速扫描下产生的Ｂ２／Ｂ１９'界面的驱动力工艺研究进展由于Ｂ２相含量的增加，４８０ｍｍ／ｓ的样品在室温下表现出较好的应变恢复率，在施加４％～６％的应变时能恢复２．３％．Ｘｉｏｎｇ等人［３４］采用每层扫描相位角６７°的策略制备出Ｎｉ含量５０．４％的ＮｉＴｉ合金，使晶界不能连成直线，在受力时阻碍了裂纹扩展，在拉伸测试中应力７００ＭＰａ时形工艺研究进展NEXT变量达到１５．６％时断裂．而其他人采用９０°相位角制备出的样品，进行拉伸时形变量普遍低于８％［２６，３５－３６］．ＮｉＴｉ合金有超弹性和形状记忆性的特殊力学性能特点．例如，ＮｉＴｉ合金具有良好的超弹性力学性能，可在施加８％的应变卸载后完全恢复初始形状［４］．为了实现ＳＬＭ制备的ＮｉＴｉ性质记忆合金力学性能的优化，基于激光工艺参数的相组成和微观结构调控成为了重要的影响因素．对一些现有ＳＬＭ制备的ＮｉＴｉ合金力学性能研究成果列于表２．Ｗａｎｇ等人［２８］的研究结果表明，形变恢复率具有随ｖ和ｈ增大而升高，随Ｐ增大而减少的趋势，但是其机理还有待进一步研究．Ｙａｎｇ等人［２３］发现：随着扫描速度的提高临界应力也越高，这是由于在高速扫描下会产生更多Ｂ２相，而在低扫描速度下产生的Ｂ１９'／Ｂ１９'界面的驱动力要小于高速扫描下产生的Ｂ２／Ｂ１９'界面的驱动力工艺研究进展由于Ｂ２相含量的增加，４８０ｍｍ／ｓ的样品在室温下表现出较好的应变恢复率，在施加４％～６％的应变时能恢复２．３％．Ｘｉｏｎｇ等人［３４］采用每层扫描相位角６７°的策略制备出Ｎｉ含量５０．４％的ＮｉＴｉ合金，使晶界不能连成直线，在受力时阻碍了裂纹扩展，在拉伸测试中应力７００ＭＰａ时形由于Ｂ２相含量的增加，４８０ｍｍ／ｓ的样品在室温下表现出较好的应变恢复率，在施加４％～６％的应变时能恢复２．３％．Ｘｉｏｎｇ等人［３４］采用每层扫描相位角６７°的策略制备出Ｎｉ含量５０．４％的ＮｉＴｉ合金，使晶界不能连成直线，在受力时阻碍了裂纹扩展，在拉伸测试中应力７００ＭＰａ时形17结语PART.3结语对ＮｉＴｉ形状记忆合金的ＳＬＭ成形研究现状进行了阐述，总结了一些研究成果和进展．现在ＮｉＴｉ合金主要应用于医学，这是因为其优良的生物相容性和力学性能，由于在人体内的植入物一般要求体积小、精度高，ＳＬＭ工艺的精度可满足要求．总体来说，应用广泛，制造尺寸精度高且性能良好，激光选区熔化技术是一个制造复杂形状ＮｉＴｉ合金工件的优良方法．但对于ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ合金仍存在一些问题：在ＳＬＭ过程中因Ｎｉ的烧损，使得成形件的Ｎｉ含量低于粉末采用不同参数进行ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ时，Ｎｉ元素的烧损量不同，目前还没有发现参数与Ｎｉ烧损的量化关系结语ＳＬＭ工艺制备的ＮｉＴｉ合金致密度还有待提高．今后ＮｉＴｉ合金的发展方向应该还主要在医学应用方面，结合３Ｄ打印技术可以直接生产出有性能梯度的材料，比如通过参数控制同一工件的不同部分具有不同的Ｎｉ含量，可以使ＮｉＴｉ合金的应用更加灵活．通过进一步研究，激光选区熔化制造的ＮｉＴｉ合金将有更大发展空间．对ＮｉＴｉ形状记忆合金的ＳＬＭ成形研究现状进行了阐述，总结了一些研究成果和进展．现在ＮｉＴｉ合金主要应用于医学，这是因为其优良的生物相容性和力学性能，由于在人体内的植入物一般要求体积小、精度高，ＳＬＭ工艺的精度可满足要求．总体来说，应用广泛，制造尺寸精度高且性能良好，激光选区熔化技术是一个制造复杂形状ＮｉＴｉ合金工件的优良方法．但对于ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ合金仍存在一些问题：在ＳＬＭ过程中因Ｎｉ的烧损，使得成形件的Ｎｉ含量低于粉末结语采用不同参数进行ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ时，Ｎｉ元素的烧损量不同，目前还没有发现参数与Ｎｉ烧损的量化关系ＳＬＭ工艺制备的ＮｉＴｉ合金致密度还有待提高．今后ＮｉＴｉ合金的发展方向应该还主要在医学应用方面，结合３Ｄ打印技术可以直接生产出有性能梯度的材料，比如通过参数控制同一工件的不同部分具有不同的Ｎｉ含量，可以使ＮｉＴｉ合金的应用更加灵活．通过进一步研究，激光选区熔化制造的ＮｉＴｉ合金将有更大发展空间．对ＮｉＴｉ形状记忆合金的ＳＬＭ成形研究现状进行了阐述，总结了一些研究成果和进展．现在ＮｉＴｉ合金主要应用于医学，这是因为其优良的生物相容性和力学性能，由于在人体内的植入物一般要求体积小、精度高，ＳＬＭ工艺的精度可满足要求．总体来说，应用广泛，制造尺寸精度高且性能结语良好，激光选区熔化技术是一个制造复杂形状ＮｉＴｉ合金工件的优良方法．但对于ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ合金仍存在一些问题：在ＳＬＭ过程中因Ｎｉ的烧损，使得成形件的Ｎｉ含量低于粉末采用不同参数进行ＳＬＭ工艺制备ＮｉＴｉ时，Ｎｉ元素的烧损量不同，目前还没有发现参数与Ｎｉ烧损的量化关系ＳＬＭ工艺制备的ＮｉＴｉ合金致密度还有待提高．今后ＮｉＴｉ合金的发展方向应该还主要在医学应用方面，结合３Ｄ打印技术可以直接生产出有性能梯度的材料，比如通过参数控制同一工件的不同部分具有不同的Ｎｉ含量，可以使ＮｉＴｉ合金的应用更加灵活．通过进一步研究，激光选区熔化制造的ＮｉＴｉ合金将有更大发展空间．参考文献参考文献[1]程进荟.低能量密度下多孔钛的选区激光熔化制备及性能研究[D].贵州师范大学,2023.DOI:10.27048/ki.ggzsu.2023.000562[2]朱荣.选区激光熔化钛合金热历程及微观组织演变研究[D].东华大学,2022.DOI:10.27012/ki.gdhuu.2022.000155[3]任虔弘,陈超越,卢战军等.激光选区熔化制备镍钛合金的研究进展[J].材料研究与应用,2021,15(03):276-286[4]于静雅.激光选区熔化NiTi形状记忆合金[D].山东大学,2020.DO