[发明专利]三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法

说明书

本发明公开了一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击‑增材复合制造方法，包括如下步骤：设计构件的三维激光冲击强化结构模型，生成每层冲击强化路径信息；增材制造控制系统依据合金构件模型和工艺参数，制造单个沉积层；激光冲击强化控制系统提取该层冲击强化路径信息，根据需要对已沉积构件施加预热，并进行激光冲击处理；如此循环，直至完成整个构件成形与制造。本发明通过控制激光冲击的图形结构和工艺参数，可原位精准调控形状记忆合金中三维方向上的奥氏体和马氏体变形状态及马氏体正逆相变，实现对合金固态相变、超弹性和形状记忆效应的高效、高质量一体化控制与优化，为复杂结构、高性能的形状记忆合金的提供新的制造方法和手段。

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法。

背景技术

形状记忆合金(Shape Memory Alloys)不仅可通过超弹性和形状记忆效应实现构件形状的自编译可控变化，同时还保持着优异承载、传力、连接等力学性能。其中，形状记忆合金的超弹性和记忆效应的本质是激励(温度、应力、电磁场等)诱发的高有序度奥氏体(A)母相与低有序度马氏体(M)之间晶体学可逆的热弹性马氏体相变和多晶体学变体马氏体之间的再取向。因此，调控形状记忆合金中的固态相变和显微组织是控制其合金形状记忆性能的有效方法。

增材制造技术(Additive manufacturing)，又称3D打印技术，是一种基于分层制造、层层叠加成形原理，由零件三维CAD数据模型进行“增材”式加工的高端数字化制造技术。该技术突破了现有制造技术对构件形状的限制，能够实现功能-结构-制造的一体化，大幅简化复杂精密构件的制造工艺，极大提高构件质量与性能。尤其，基于离散-堆积原理的增材制造技术能够有效规避形状记忆合金制造过程中金属间化合物硬脆、杂质元素易引入和复杂结构难成形等问题，是形状记忆合金极具潜力的新型制造技术。

目前，已有大量研究通过增材制造技术获得高致密、具有与传统工艺制造相当形状记忆效应和高循环稳定性的形状记忆合金构件，比如专利CN 109365810 A、CN109746445 A、CN 110788340 A、CN 111979466 A、CN 112059181 A等。但是，还存在如下问题：①显微组织控制难：大部分形状记忆合金的形状记忆效应分别来源于合金中的马氏体正逆相变，但是增材制造的复杂热力学环境导致了显微组织特征的不确定和调控手段的低可控性。②记忆效应疲劳衰减：增材制造过程中高频次的加热-冷却循环组成的复杂热历史导致合金会在极短时间周期内反复经历热诱导马氏体正逆相变。随着相变过程的迭代，A/M两相界面移动引入的位错和塑性变形将产生不可逆应变的积累，进而导致合金可回复应变减小和功能疲劳。③冶金缺陷：增材制造是一个快速凝固收缩、循环加热冷却的非平衡加工过程，局部高能量热输入产生的不均匀温度场将导致熔池在凝固及随后冷却阶段承受复杂的热应力、组织应力和残余应力及其相互耦合作用，因而在激光快速熔凝的热循环和拉伸应力作用下极易产生气孔、开裂、翘曲等冶金缺陷。

激光冲击技术是指采用短脉冲(纳秒级别)、高峰值功率密度(10⁹W/cm2)的激光束辐照金属零件表面产生高温(10⁷K)、高压(1GPa)的等离子体，其在约束层下形成的高振幅、短脉冲高压(GPa级别)冲击波引起材料表面一定深度发生超高应变率(10^5～7s^-1量级)的塑性变形，同时衍生的动态应变时效效应激发材料内部产生密集均匀的位错结构和析出相，细化晶粒、诱导残余压应力，最终达到提高强度、硬度、磨损、应力腐蚀和疲劳寿命的效果。同时，激光冲击技术还具有处理复杂几何形状构件、实现微米尺度局部处理，以及保证材料表面完整性和粗糙度的优势。更重要地是，激光冲击技术还具有改善凝固结晶行为和控制固态相变的作用。当以超过临界峰值压力(4.5～7.5GPa)的冲击波作用于初始相为B2奥氏体的NiTi形状记忆合金时，将产生形变诱导马氏体相变。可以看出，激光冲击技术不仅可以改善形状记忆合金的残余应力分布、细化晶粒、提高强度和疲劳寿命，还能控制合金中马氏体正逆相变、动态再结晶以及奥氏体和马氏体的弹塑性变形。