[发明专利]一种原位合成任意形状NiTi形状记忆合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于镍钛形状记忆合金领域，具体涉及一种选区激光熔化技术快速合成镍钛形状记忆合金的方法。

背景技术

近等原子比的NiTi形状记忆合金因具有稳定的形状记忆效应和超弹性功能，以及优良的强度、耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性等，在工业自动化、航空航天、医疗卫生、仪器仪表及机械制造等领域有广泛应用前景。

由于NiTi合金具有较高的熔点和显著的加工硬化特征，其制备工艺和零件加工一直备受关注。目前，NiTi形状记忆合金的制备方法有两种，一种是熔铸法：将Ni和Ti的块体原材料，在真空的环境下先采用电弧、感应、电子束或等离子体熔炼制锭，然后通过热或冷加工的方式到达最终尺寸。熔铸过程中，高活性的钛容易受到碳、氧、氮的污染以及与坩埚产生反应而引入杂质，同时Ni和Ti的熔点差别(Ni的熔点：1453℃，Ti的熔点：1660℃)以及比重差别导致NiTi合金铸锭会发生成分偏析。NiTi合金铸锭经过后续热机械加工后会导致晶粒过分长大并产生很厚的氧化层，成品率低，生产成本极高。

另一种是粉末冶金的方法，主要包括：普通烧结、自蔓延高温合成、热等静压和火花等离子体烧结等。其步骤为首先将粉末混合，然后用模具压坯，最后用上述方法整体烧结合成。粉末冶金方法能部分解决熔铸法所存在的问题，它能够克服熔铸方法所存在的成分偏析和晶粒过分长大问题，能精确控制烧结合金的成分，借助于模具能得到部分简单形状的半成品零件。但该方法制备工序较复杂、周期长，难以避免杂质的引入。由于是在固体状态下制造合金，粉末间的间隙仅靠延长烧结时间无法消除，获得的NiTi形状记忆合金的致密度不高，机械性能比传统熔铸法差。由于是整体压坯烧结，各个部分合成反应的速度不一致，导致合成的NiTi形状记忆合金的整体成分不均匀。

在零件成形方面，由于高加工硬化率、高强韧性和粘性，NiTi形状记忆合金的冷加工特性很差，除作为功能涂层使用外，当前实用化的NiTi形状记忆合金器件主要是简单形状的工业制件，如弹簧、丝、片和管材等。无论是采用熔铸法或是粉末冶金路线都必须依赖机加工或模具才能得到上述简单形状的NiTi形状记忆合金，而且存在能耗大、周期长、成本高等诸多问题。

由于原位合成技术是整个合成反应在原料体系内部完成，因而具有合成成本低、产物颗粒细小且分布均匀、相表面无污染且成分调控范围大等优点，受到人们的重视。由Ni-Ti相图可知，在近等原子比处，Ni和Ti反应将生成NiTi、Ti₂Ni和Ni₃Ti，并以NiTi为主相。正是NiTi相可以发生可逆马氏体相变，使合金具有形状记忆效应和超弹性性能，因而NiTi合金合成的关键就是抑制中间相和附生相，保证主相的含量。粉末冶金方法合成NiTi形状记忆合金就属于原位合成的一种，上述合成方法中的一个最大难点是：难以精确控制各处反应物的生成和反应速度，从坯料表面到内部的合成存在显著差别；同时，由于烧结的时间长，难以抑制中间相和附生相的反应生成，对材料的性能将产生不利影响，从而出现如前所述的众多缺点。很明显，要根本解决目前NiTi形状记忆合金的合成及后续加工难题就必须探索低成本、高效的任意形状NiTi形状记忆合金合成新方法。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目的是提供一种激光原位合成任意形状NiTi形状记忆合金的方法，该方法具有周期短、成本低和柔性化程度高的特点，能合成任意形状、致密度近乎100％、成分可调、且无成分偏析和杂质的镍钛形状记忆合金。

为实现上述目的，本发明提供的一种原位合成任意形状NiTi形状记忆合金的方法，包括下述步骤：

(1)以粒径小于50μm且平均粒径基本相同的Ti粉末和Ni粉末为原料，将两者按近等原子比混合均匀，得到Ni-Ti混合粉末，其中，近等原子比是指其中Ni粉末的原子比例为49～51％，余量为Ti粉；

(2)在水、氧含量小于10PPM的保护环境下，利用选区激光熔化快速成形的方法制备近等原子比NiTi形状记忆合金：

(2.1)将Ni-Ti混合粉末作为原料，采用连续YAG或光纤激光器作为能量源，聚焦光斑直径小于等于40μm，以钛板作为成形基板，将需要成形的三维图形的STL文件输入SLM快速成形设备由切片软件进行分层离散，生成激光扫描路径；