[发明专利]一种原位调控镍钛合金功能特性的4D打印方法及应用

说明书

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种原位调控镍钛合金功能特性的4D打印方法及应用。将镍钛合金棒材通过雾化制粉，获得粒径为15～53μm的镍钛合金粉末，然后置于放电等离子体辅助球磨机中进行放电处理，促进粉末活性激活，然后加入粒径为100～800nm的纳米级镍粉，得到混合粉末，继续进行放电处理，使镍钛合金粉末与纳米镍粉之间实现冶金结合，得到改性粉末，最后将改性粉末通过增材制造技术制备成形，得到功能化的镍钛合金。本发明通过在放电处理过程中加入纳米级镍粉与大尺寸球形镍钛合金粉末实现冶金结合，有利于制备出成分、组织、性能均匀的块体合金及其零件。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种原位调控镍钛合金功能特性的4D打印方法及应用。

背景技术

镍钛基形状记忆合金具有优异的生物相容性，广泛应用于牙列矫正丝、脊柱矫形棒、血管成形环和手术用微型钳子等生物医疗领域。同时，利用其优良的形状记忆效应和超弹性，广泛应用于管路接头、管路固定、弹簧驱动装置、温度控制器、温度传感器触发器等领域；利用其高阻尼性能，广泛应用于振动控制构件、锥形阻尼器等领域；利用其优良的耐腐蚀性能，在化工、船舶零件等领域也存在广泛的应用前景。

然而，对于镍钛形状记忆合金而言，其相变温度对化学成分很敏感，在熔炼、铸造、轧制等过程中会引入杂质元素(如C、N等)，改变其相转变温度，进而影响其功能特性(参考文献1：Acta Mater.58(2010)3444-3458.)。此外，镍钛形状记忆合金热导率较低、加工性能差，降低了其加工生产效率，因而对于精密复杂镍钛合金零件，譬如多孔结构、薄壁结构等，采用传统工艺无法成形或成形及其困难(参考文献2：Prog.Mater.Sci.57(2012)911-946.)。在4D打印制备镍钛合金过程中，由于激光与粉末作用使得熔池温度很高，镍原子会存在挥发现象，这会导致成型件的镍钛原子比发生变化，进而相转变温度发生较大变化，无法满足特定的服役要求(参考文献3：Scr.Mater.146(2018)164-168.)。因此，探索新的镍钛合金成形工艺，且有效调控其相转变温度，成为急需解决的问题。目前，4D打印镍钛合金的相转变温度一般采用热处理方式进行调控，关于原位调控4D打印镍钛合金相转变温度及其功能特性，同时制备出高致密度的镍钛合金及其零部件的案例鲜有报道(参考文献4：Prog.Mater.Sci.83(2016)630-663.)。

4D打印是对智能材料的增材制造(3D打印)制备技术，4D打印技术能够实现结构功能一体化设计。作为一种重要的智能材料，镍钛合金4D打印技术已经得到了研究者的广泛关注，其能按照三维数据模型直接将金属粉末在外加热源作用下完全熔化，并凝固成形为具有良好冶金结合和高精度的金属零件，特别适合薄壁、内腔复杂、内流道等传统加工技术难以实现的复杂薄壁精密构件的制造。在4D打印成形过程中存在高纯氩气保护，氧含量低于300ppm，可以极大地减少成形件的杂质含量。目前，增材制造的粉末制备技术主要包括气雾化法和水雾化法，针对镍钛合金粉末，目前主要采用旋转电极气雾化法制备，一次只能制备出单一组分的镍钛合金粉末，调控成分困难、成本高，商业化应用的镍钛合金成分单一。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种原位调控镍钛合金功能特性的4D打印方法。该方法提出采用4D打印技术实现对镍钛合金粉末+纳米级镍粉的混合粉末的增材制造成形，通过调控镍钛合金粉末和纳米镍粉的混合比例，进而精确调控4D打印镍钛合金的镍钛原子比，最终调控其相转变温度和功能特性，以拓展镍钛合金的产业化应用领域。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法得到的镍钛合金。

本发明的再一目的在于提供上述镍钛合金在制备脊柱矫形棒、髓内针/钉、血管成形环或手术用微型钳子等生物医疗器械；管路接头、智能控温器件、弹簧驱动装置、温度传感器触发器等化工、卫浴装置；振动控制构件、锥形阻尼器；自展开桁架、自展开通讯卫星零部件等航空航天领域部件中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：