[发明专利]一种镍钛基三元形状记忆合金的4D打印方法

说明书

本发明属于4D打印增材制造技术领域，公开了一种镍钛基三元形状记忆合金的4D打印方法，其特征在于，该方法是采用激光选区熔化技术打印气雾化预制的NiTiZr三元合金粉末，打印得到的构件具有形状记忆功能；通过改变激光选区熔化技术所采用的工艺参数进而改变激光能量密度，从而调控打印件的组织和性能的变化。本发明通过向现有镍钛二元合金中引入第三元组分Zr，显著提高了马氏体相变温度，采用激光选区熔化技术成形，在保证优异的形状记忆性能和力学性能的同时，利于获得组织均匀、致密度高的复杂零件。

技术领域

本发明属于4D打印增材制造技术领域，更具体地，涉及一种镍钛基三元形状记忆合金的4D打印方法，是一种NiTiZr三元形状记忆合金的增材制造方法。

背景技术

4D打印属于增材制造技术，可引入激励响应的智能材料，通过增材制造技术成形智能材料，打破了传统3D打印的静止状态，增加了自组装、自传感、自适应性能，为高端智能构件的制造带来了新的发展契机。

NiTi合金作为一种重要的形状记忆合金智能材料，因其优良的形状记忆效应、超弹性、高阻尼性、耐蚀性、生物相容性等优点，广泛应用于航空航天、汽车、生物医疗、石油等领域。但镍钛二元合金转变温度低，不超过100℃，限制了其在高温场合下的应用。近年来研究发现加入元素可改变NiTi合金的相变温度范围，改善材料稳定性和记忆性能。使用Zr替代Ti得到的NiTiZr三元合金可显著提高NiTi合金的马氏体相变温度，这对于扩宽NiTi合金的使用范围、研究功能梯度制造及复合制造均有重要意义。

另外，由于NiTi基合金加工过程中回弹效应、加工硬化、毛刺等现象，传统冷加工方法难以满足零件制造需求。传统高温加工方法(如熔炼和铸造等)存在杂质含量增加、氧化夹杂等问题，从而影响形状记忆效果。现有研究已成功通过平面流铸技术快速凝固NiTiZi薄带，溅射沉积制备NiTiZi薄膜，等径角挤压制备NiTiZi块体。但上述制备方法形状单一，成形精度低，难以满足4D打印构件复杂结构的制造需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种镍钛基三元形状记忆合金的4D打印方法，通过向现有镍钛二元合金中引入第三元组分Zr，显著提高了马氏体相变温度，采用激光选区熔化技术成形，在保证优异的形状记忆性能和力学性能的同时，利于获得组织均匀、致密度高的复杂零件。本发明首次利用激光选区熔化技术能够得到NiTiZr形状记忆合金件，通过改变激光工艺参数获得不同激光能量密度的打印件，从而改变打印件的力学性能、组织、形状记忆性能和相变温度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种镍钛基三元形状记忆合金的4D打印方法，其特征在于，该方法是采用激光选区熔化技术打印气雾化预制的NiTiZr三元合金粉末，打印得到的构件具有形状记忆功能；通过改变激光选区熔化技术所采用的工艺参数进而改变激光能量密度，从而调控打印件的组织和性能的变化。

作为本发明的进一步优选，所述NiTiZr三元合金粉末为粒径满足15～53μm的Ti_42.5Ni_49.5Zr₈粉末，优选的，平均粒径为33μm。

作为本发明的进一步优选，所述激光选区熔化技术所采用的激光扫描策略为条带分区加层间旋转，其中，分区宽度为4～10mm，层间旋转角度为16°～67°。

作为本发明的进一步优选，所述分区宽度为10mm，所述层间旋转角度为16°。

作为本发明的进一步优选，所述激光选区熔化技术所采用的打印参数设置为：激光功率为160～280W，扫描速度为700～1300mm/s，扫描间距为0.12mm，铺粉层厚为0.03mm，基板预热温度为200℃。

作为本发明的进一步优选，所述激光选区熔化技术所采用的工艺参数设置为：激光功率250W，扫描速度1000mm/s，激光能量密度为69.44J/mm³。