[发明专利]4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法

说明书

本发明公开了4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，属于金属增材制造技术领域，针对双程变形要求，设计部件结构，确立形状一，并建立该结构的三维数字模型；采用3D打印技术将镍钛合金打印成零件；将打印好的镍钛记忆合金零件加热，保温后水冷淬火，进行固溶处理；将固溶处理好的零件安装在变形模具中固定成形状二，再将模具和零件固定成形状二状态下加热，保温，最后将其冷却至室温，获得双程记忆效应；本发明采用约束时效方式实现镍钛形状记忆合金的双程记忆效应，利用变形模具约束部件在形状二的状态下完成时效过程，是双程记忆效应的训练方法；获得采用小变形部之间的组装，控制每个单元的变形即可实现智能结构的可编程变形。

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法。

背景技术

4D打印是智能材料及结构的增材制造方法，目的是利用智能材料对外界因素的响应，在3D打印静态制造的基础上增加一个对材料的影响维度，从而使得打印产品具有传感、控制和驱动功能。

镍钛形状记忆合金具有优良的力学性能、抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀、形状恢复率高、生物相容性好等特性，应用范围涉及航空航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程、民用和医学领域。

镍钛形状记忆合金是一种典型的智能材料，其能够实现对温度变化的响应，呈现形状记忆效应。镍钛合金的形状记忆效应有单程效应、双程效应和全程效应三种。

目前大部分镍钛合金形状记忆效应的应用形态是单程记忆效应，只要记忆高温态的形状，其加工过程相对简单。而双程记忆效应指的是合金在加热冷却的循环中，记忆高温和低温态两个形状，使之可以随温度变化而形状发生交替性变化，加工复杂度要求较高。而且，由于镍钛合金加工性能差，复杂部件的成形难以实现，更难实现复杂部件的双程记忆效应。

因此，目前基本以丝材等简单形状和单程效应加以应用。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，实现了镍钛形状记忆合金复杂部件成形和双程记忆效应的应用。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，包括如下步骤：

(1)针对双程变形要求，设计变形单元结构，确立形状一，建立该结构的三维数字模型；

(2)采用3D打印技术将镍钛合金打印成部件形状一，得到镍钛记忆合金零件；

(3)将镍钛记忆合金零件放置电炉中加热并保温后，经水冷淬火，进行固溶处理；

(4)将固溶处理好的部件安装在变形模具中固定成形状二，再将模具和零件固定成形状二状态下放置电炉中进行约束时效处理，最后将其随炉冷却至室温，获得双程记忆效应，得到具有双程效应的镍钛记忆合金部件，将处理好的构件按照需求连接成变形结构，在通电的条件下使得变形结构发生变形完成4D打印。

进一步地，步骤(1)中，所述的变形单元结构为圆角菱形、圆角三角形、不规则多边形中的任意一种。

进一步地，步骤(2)中，所述的采用3D打印技术是采用定向能量沉积技术(DED)打印变形单元，打印的时候参数为：电流为40A～60A，机床速度为1mm/s～2mm/s，层厚1mm～2mm。

进一步地，步骤(2)中，所述的镍钛合金中原材料镍钛合金粉末中镍原子百分比为50.5％～54％，钛原子百分比为余量。原材料合金粉末中镍原子比例略高于钛原子，通常3D打印时镍会比钛的损耗略多，而且随着热输入增加，镍损耗更高。但打印后仍要求镍原子比钛原子多，以便热处理后析出富镍的沉淀相后，仍保持基体中两种原子比接近1。因此，原材料的成份设计需要考虑3D打印工艺中热输入引起的损耗情况，以及高温和低温的形变温度区间需求来调整镍钛原子相对含量。