[发明专利]具有功能基元序构的超高超弹性钛镍形状记忆合金及其4D打印制备方法与应用

说明书

本发明公开了具有功能基元序构的超高超弹性钛镍形状记忆合金，所述功能基元序构包括胞状晶区、过渡区和热影响区3个特征区，3个特征区的沉淀相(Ti₂Ni和Ni₄Ti₃)析出情况、分布位置、数量大小存在显著差异，同时3个特征区之间的镍含量不同，具有梯度变化的特征，本发明所述功能基元序构内部不同区域之间的协同作用，使得具有功能基元序构的钛镍形状记忆合金获得了超高的超弹性。本发明所述具有功能基元序构的钛镍形状记忆合金能够制备各种具有复杂构型的零件，同时具有功能基元序构的钛镍形状记忆合金的零件能够用于各种功能构件，适用范围广(航空航天、兵器、建筑等)，也可用来制备满足生物力学性能和相容性的各种医疗植入构件。

技术领域

本发明属于钛镍形状记忆合金、增材制造、4D打印领域，具体涉及具有功能基元序构的超高超弹性钛镍形状记忆合金及其4D打印制备方法与应用。

背景技术

对钛镍形状记忆合金而言，其热导率较低、弹性回弹强、加工性能差，这些特性降低了其生产效率，同时传统工艺(铸造、锻造和焊接等)无法高效成型其精密复杂(多孔结构、梯度结构和薄壁结构等)的工程零件(Prog.Mater.Sci.57(2012)911-946.)。增材制造技术作为一种前沿的新兴技术，能够直接制备多孔、具有复杂内部结构的近净成形工程零件，大大减少后续加工流程。4D打印的内涵是3D打印形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)，其通过材料特性或结构构型主动设计，使构件的形状、性能和功能在时间和空间维度上实现可控变化，实现复杂智能“异质异构”构件制造，满足高端装备可控变形、变性和变功能的高端应用需求(Mater.Sci.Eng.,A 763(2019)138166；Mater.Des.122(2017)42-79.)。目前，4D打印技术正在深入拓展钛镍形状记忆合金零件和产品的工程应用领域，然而，目前4D打印制备的钛镍形状记忆合金由于存在较多的微观缺陷(如裂纹、孔洞等)和大量柱状晶，其功能特性(超弹性、形状记忆效应和阻尼性能等)无法达到通过传统剧塑性变形工艺(等径角挤压、高压扭转和轧制等)制备的钛镍形状记忆合金相当的水平。

近期大量研究表明4D打印制备钛镍形状记忆合金的过程与其焊接过程的物理冶金过程相同，这二者具有类似的能量源、微观结构和凝固速度，二者最为显著的差异则是4D打印过程是具有循环重复的单道激光焊接过程，在4D打印制备的钛镍形状记忆合金的基体内部会出现重复的、逐层累加的特征区域，这些区域与钛镍形状记忆合金在焊接过程中形成的特定区域相同，即热影响区、过渡区和胞状晶区等(Prog.Mater.Sci.88(2017)412-466；MRS Bull.41(10)(2016)765-774.)。这里，将热影响区、过渡区和胞状晶区构成的基本单元定义为实现独特功能特性的功能基元；功能基元通过重复的、逐层累加的4D打印有序构建(序构)，从而获得大尺寸块状材料。目前，研究者们正逐步采用这些特征区域来解释4D打印制备钛镍形状记忆合金的微观结构特征，以建立起工艺-微观结构-性能调控的内在关联。同时，文献调研表明大量研究通过调整工艺参数、引入热处理工艺和加入第二相等方法改善4D打印钛镍形状记忆合金的功能特性(Prog.Mater.Sci.83(2016)630-663.)，但研究结果并没有揭示4D打印钛镍形状记忆合金的功能基元微观结构与其功能特性的内在关联，没有通过控制整体的功能基元微观结构进而提高其功能特性。

针对目前的研究结果而言，4D打印钛镍形状记忆合金仍无法获得稳定且大的超弹性应变，以满足其工业化应用。此外，现有研究对4D打印钛镍形状记忆合金的微观结构的演变与功能实现研究还不够系统深入。本专利通过调控序构功能基元获得了具有超高超弹性的钛镍形状记忆合金，揭示了微观结构与功能特性实现的内在关联。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供具有功能基元序构的超高超弹性钛镍形状记忆合金。

本发明的第二目的在于提供具有功能基元序构的超高超弹性钛镍形状记忆合金的4D打印制备方法。