[发明专利]一种适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末及制备方法

说明书

本发明提供一种适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末及制备方法，属于金属材料技术领域。按原子百分数计算，该粉末化学成分为：Ti 20～55at％，Ni 40～60at％，Hf 5～30at％。粉末制备流程：按照合金成分进行配料，通过电弧感应加热熔炼方式直接制备成棒材，经机加工去除表面氧化皮后，采用无坩埚感应熔化气体雾化法制备成适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末。对本发明中的记忆钛合金粉末相变行为检测结果显示，与现有二元Ti‑Ni形状记忆钛合金粉末相比，通过添加第三组元Hf元素制备的适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末可以显著提高相变温度，合金粉末的马氏体开始相变温度达到100～300℃之间。

技术领域：

本发明涉及形状记忆合金4D打印技术领域，具体为一种适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末及制备方法，针对传统Ti-Ni二元记忆钛合金粉末相变温度较低导致无法满足中高温领域应用的现状，本发明通过添加Hf元素可以显著提高记忆钛合金粉末的相变温度，在中温智能控制领域具有广泛的应用。

背景技术：

Ti-Ni形状记忆合金(Shape Memory Alloy)是一种具有形状记忆效应或者超弹性的功能性材料，其具有高温下稳定的奥氏体和低温下稳定的马氏体两种不同的相，存在孪晶马氏体、去孪晶马氏体和奥氏体三种不同的晶体结构，通过三种不同晶体结构之间的转化可以实现形状记忆效应或者超弹性。利用形状记忆效应可以将记忆合金制备成管接头，扩径后的管接头在低温环境下进行储存备用，需要的时候将被连接件在管接头的两侧插入，然后使管接头温度上升到室温之后便恢复到未扩张之前的状态，将被连接件紧紧卡住。同时，利用形状记忆效应可以将形状记忆合金制作成驱动和储能装置，该类合金在工作环境中随温度的变化可以自发进行吸/放热后的相转变，在实现驱动的同时还具有感温的特性，可以制备成热敏控制的传感兼具驱动的双重功能原件，且记忆合金的驱动和控制器具有结构紧凑、不受温度以外的环境与气氛影响的特点。Ti-Ni形状记忆合金还在医疗血管支架制备和建筑行业的吸能缓震方面具有重要的应用。

传统的Ti-Ni二元形状记忆钛合金粉末的相变温度在-50～110℃之间，但是对于航空航天、汽车等领域内使用的发动机内部等部位环境温度一般高达100℃以上，Ti-Ni二元合金的相变温度已经无法满足智能控制的需求。本发明通过添加第三组元Hf取代Ti元素可以明显的提升Ti-Ni二元合金的相变温度，通过对合金成分进行设计调控，同时结合4D打印技术可以实现马氏体开始相变温度达到100～300℃的复杂结构和形状的智能构件直接成形。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末及制备方法，解决4D打印用Ti-Ni二元形状记忆钛合金粉末相变温度低，无法满足中高温智能构件对温度的需求问题。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是：

一种适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末，按原子百分数计算，该合金粉末化学成分为：Ti 20～55at％，Ni 40～60at％，Hf 5～30at％。

所述的适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末记忆钛合金粉末，优选的，按原子百分数计算，该合金粉末化学成分为：Ti为30～50at％，Ni为40～55at％，Hf为10～30at％。

所述的适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末记忆钛合金粉末，该合金粉末是Ti加Hf原子百分数小于Ni原子百分数；或者，Ti加Hf原子百分数大于Ni原子百分数；或者，Ni含量固定为50％，其余元素在范围内调整之和为50％组成与Ni为等原子比。

所述的适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用海绵钛、镍板、海绵铪作为原材料，通过电弧感应加热熔炼方式直接熔炼成棒材，经机加工去除表面氧化皮后，制备成满足无坩埚感应熔化气体雾化法尺寸要求的电极棒；

(2)采用无坩埚感应熔化气体雾化法，将电极棒制备成适用于4D打印的中温形状记忆钛合金粉末。