[发明专利]一种具有双程记忆效应NiTiHf高温形状记忆合金及其4D打印方法与应用

说明书

本发明属于形状记忆合金和增材制造技术领域，公开了一种具有双程记忆效应NiTiHf高温形状记忆合金及其4D打印方法与应用。该4D打印方法包括合金制粉、模型构建与基板预热和4D打印成形。本发明专利基于降低热梯度的设计理念和清洁生产的环保理念，采用基板预热结合低激光功率低扫描速度的激光粉末床熔化技术或低预热温度的电子束粉末床熔化技术，改善成形合金与NiTi基板的晶格相容性，减少成型试样的残余应力，制备出无裂纹、无明显孔洞，致密度≥99％，相变温度高，拉伸力学性能优异并具有双程记忆效应的NiTiHf高温形状记忆合金，拓宽了NiTiHf高温形状记忆合金在高温领域的应用。

技术领域

本发明属于形状记忆合金和增材制造技术领域，具体涉及一种具有双程记忆效应NiTiHf高温形状记忆合金及其4D打印方法与应用。

背景技术

形状记忆合金是一类具有形状记忆效应和超弹性、集感知与驱动为一体的前沿材料。作为形状记忆合金的典型代表，近等原子比NiTi形状记忆合金具有优良形状记忆效应和超弹性、耐腐蚀性、生物相容性、高阻尼特性、低弹性模量以及良好的储能减震功能，在各种工程领域和生物医学方面得到了广泛发展，如管接头、解锁结构、驱动器、介入支架、人工关节和牙齿矫形丝等，是一种具有巨大商业价值的智能金属材料。但目前商用最为广泛的NiTi形状记忆合金相变温度低于100℃，在需要产生稳定形状记忆效应或超弹性行为的热机械循环过程中，相变温度会进一步降低，这使得他们的应用场景只能局限于低温环境，例如生物医学植入件和驱动器等，不适合航空航天、深空探测、太阳能电池阵列、石油矿井探测和火灾报警等高温环境的使役需求，例如航空发动机智能空气冷却器、航天飞机固体助推器、立方星释放装置、可变翼的变形蒙皮、电流过载保护器、高驱动力装置、核电站安全控制阀、井下油气流量控制阀和火灾报警装置。

通过第三种元素(Hf、Zr、Pt、Pd和Au)取代Ni或Ti，可开发出NiTi基高温形状记忆合金。NiTi基高温形状记忆合金相变温度高于120℃，使得其在航空航天、深空探测等诸多行业的应用尤为广泛。在目前设计的第三种元素中，Hf具有对NiTi基高温形状记忆合金相变温度的调控范围宽、成本较低、以及优良的形状记忆效应和超弹性，因而备受研究者的关注。然而，包括NiTiHf在内的NiTi基高温形状记忆合金具有反应活性高、导热系数低、应力诱发马氏体相变、回弹效应、加工硬化、形成毛刺和粘附等物性特点，增加了利用铸造、锻造与机加工等传统方法制备其块状合金及其零件的技术难度。近年来，随着航空航天、深空探测、太阳能电池阵列、石油矿井探测和火灾报警器等高温环境用高端装备的更新换代，亟需各种NiTi基高温形状记忆合金及其结构功能一体化零件，而目前普遍采用的铸造、锻造与机加工等传统方法难以制备成形出结构复杂、近净成形的NiTi基高温形状记忆合金及其结构功能一体化构件，这成为制约高端装备研制的“卡脖子”问题。

作为一种前沿颠覆性技术，4D打印技术是指由3D打印出来的智能结构能够在光、电、磁和热等外部因素的激励诱导下，实现构件的形状、性能或功能在时间和空间维度上的自主调控，其中第四个“D”指的是时间或空间维度。