[发明专利]一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法

摘要

本发明属于金属材料成形和制造技术领域，具体涉及一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工。

主权项

一种基于TiNi记忆合金丝材的功能材料部件增材制造方法，其特征在于包括钛镍基记忆合金的熔炼、钛镍基记忆合金丝的制备、用钛镍基记忆合金丝作原料、激光熔覆增材制造工艺、制造部件的组织控制和变形量的控制；首先钛镍基记忆合金的熔炼：钛镍基记忆合金的熔炼是生产其合金丝的关键环节；本发明采取了和传统的真空感应炉和水冷铜坩埚真空感应炉熔炼不同的熔炼工艺路线，即：真空自耗凝壳炉+真空自耗熔炼炉（VAR）二次熔炼的工艺路线；其优点为，真空自耗凝壳炉的熔池大，有利于合金元素的充分均匀化，防止合金偏析，真空自耗熔炼炉熔炼是控制铸锭的铸钛组织，以利于后续的冷热加工；熔炼过程的成分控制是钛镍基记忆合金成败的核心点；精准的合金配比才能保证其组织和性能，同时还要考虑到激光熔覆成形时各个合金组元的烧损比率；熔炼用原材料需采用高纯度的钛，镍，铜（铌，锆），要求如下：Ti≧99.9%,Ni≧99.9%,Cu≧99.9%(Nb,Zr≧99.9%),本发明要加入0.002%—0.005%（重量百分数）的纯稀土金属；熔炼步骤为：①配料要严格，用纯钛棒（板），纯镍棒（板），纯铜丝（纯铌，纯锆丝）根据真空自耗凝壳炉的容量对自耗电极的尺寸规格要求，在氩气保护下用等离子弧焊机组焊成自耗电极；②确定真空自耗凝壳炉的熔炼电流，电压，冷却水的水压，真空度控制在极限真空度时开始熔炼；熔炼好的熔液浇注到铸锭模具中，待冷却一定的时间后出炉；③对其铸锭进行车削扒皮，去冒口，分析其化学成分；④根据真空自耗炉的容量，把几支真空自耗凝壳炉的铸锭组焊成真空自耗炉用的大电极；⑤确定真空自耗炉的熔炼参数，电流，电压，水温，熔炼后期补缩时间；高真空或氩气保护下熔炼，需控制熔化速度，熔炼完成后需等到铸锭冷却到常温下出炉；⑥铸锭检查扒皮去冒口，全面分析其化学成分，气体杂质含量要控制在：O＜0.08%,N＜0.01，H＜0.002；其次钛镍基记忆合金丝的制备：钛镍基记忆合金的热加工性能不是很好，因此要严格控制加热温度和加工率；镍基记忆合金锭的锻造开坯一般要选择大吨位的液压快锻机进行，加热要在电阻炉上进行，根据成分和铸锭尺寸的不同，确定加热温度和保温时间，经多次锻打，锻造至Φ30左右进行修磨；②精锻：把Φ30的锻棒在电炉里加热，放在旋锻机上精锻至Φ6；然后扒皮机上扒皮，修磨；③冷拉：把Φ6细棒放置大直径拉丝机上选用粉状或半液态润滑剂进行粗拉，形成圆盘状线材，根据不同线径选择不同的道次加工率和拉拔速度；经过多道次拉拔至Φ2.0左右的丝材；拉拔中间退火在真空退火炉中进行；④Φ2的丝材在自制的滚模轧丝机上进行冷轧至0.1‑‑1.0之间成品细丝，上轴盘，为自动送丝的激光熔覆3D打印机上备用材料；然后用钛镍基记忆合金丝作原料，激光熔覆增材制造工艺：用钛镍基记忆合金丝激光熔覆增材制造的是具有高阻尼特性的旋转桨类部件，由于其工作面是曲面，3轴的自动送丝激光熔覆设备无法满足曲面成形的要求；本发明用外购的五轴联动的加工中心改造自制了一台自动送丝激光熔覆设备；工作台行程为400×400×450，激光器为外购的连续激光器；该设备有几个系统组成：激光电源控制系统，自动送丝控制系统，五轴联动伺服传动系统，气体保护和冷却系统；本发明主要增材生产的是桨类旋转件，近净成形，因此要根据部件的规格尺寸大小来确定使用合金丝的粗细规格；用钛镍记忆合金丝激光熔覆增材制造的步骤为：①根据要制造的部件的CAD图纸，用3Dmxs软件建模；②用Cura软件切片，然后把此程序输入到激光熔覆打印机的控制电脑中；③根据要制造部件的壁厚和部位的不同，确定熔覆速度，激光参数，送丝速度；④调定冷却用氩气的压力，流量；⑤开始激光熔覆打印；⑥冷却处理，成品修整；最后制造部件的组织控制和变形量的控制：对钛镍基记忆合金部件来说，无论是增材制造还是减材制造的精密铸造，模锻，其组织控制是能否达到其使用功能的关键；国内外的研究表明，组织是完全马氏体相和马氏体和奥氏体混合体相时，其阻尼减振效果最好，影响组织的因素有：合金成分和冷却速度；本发明在合金中加入了微量的稀土金属，就是为了细化晶粒和调整Ms转变温度；由于桨类部件轮毂和桨叶部分壁厚差距非常大，冷却速度不一样，因此必须根据合金的热力学参数调整各部分激光熔覆速度和冷却气体的压力和流量；本发明采取了液态氩气汽化的氩气，可以调整冷却速度；对于桨类部件的桨叶部分的变形控制，本发明采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度，使其各个桨叶的组织和变形量基本一致。