NiTi形状记忆合金的激光熔化成形及其相变行为研究

以粉末为原料的激光熔化成形技术是制备复杂NiTi形状记忆合金零件，解决其加工难题的理想方法。但在激光快速熔化和凝固以及后续非稳态重复热循环作用下，NiTi合金的相变行为将呈现独特的变化规律，并影响到NiTi合金的形状记忆效应和超弹性，而上述科学问题的研究尚属空白。本项目以Ni-Ti混合粉末为原料，在研究NiTi合金激光熔化成形质量的基础之上，重点研究不同Ni/Ti比例和成形工艺下Ni-Ti元素的反应熔化和扩散结合机理，NiTi合金的正逆相变类型、相变温度、热滞、相变热焓及体积转变率等相变行为，探索复杂激光热作用条件下NiTi合金的相变机理，找出影响NiTi合金相变行为的关键激光熔化成形工艺参数，掌握激光熔化成形过程中控制NiTi合金相变行为的方法。结合成形NiTi合金的形状记忆效应和超弹性性能评价，建立调控NiTi合金相变温度和性能的激光熔化成形基础工艺数据库，为该技术的应用奠定理论基础。

近等原子比的NiTi合金具有稳定的形状记忆效应和超弹性功能，但其加工特性较差导致应用范围较窄。本项目提出选区激光熔化Ni/Ti混合粉末成形实现NiTi合金制备和复杂零件快速制造有机融合的新方法，以解决NiTi合金的加工难题。采用球磨工艺准备了Ni/Ti原子比为49:51，50:50和51:49的三种混合粉末，完成了NiTi试样的选区激光熔化成形，并对成形质量、合金的相变行为和形状记忆效应等展开了研究。球形的混合粉末比非球形混合粉末更适合选区激光熔化成形工艺，在较高的激光能量密度下能制造出致密度在99%以上的试样。SLM成形获得的NiTi合金均具有形状记忆效应，其物相主要为NiTi相，包括立方结构的B2母相和单斜结构的B19'马氏体相。在-40～120℃升温降温过程中，NiTi合金均有相变行为发生，均有且仅有一次奥氏体相变，但存在次数不等的马氏体或R相变。无论是升温或降温过程，NiTi合金的相变温度区间都比传统的同成分NiTi合金更宽。在所有成形参数下，奥氏体转变温度区间相差不大，而马氏体转变温度区间则有明显区别。随着Ni含量从49at%升高到51at%，NiTi合金的奥氏体相变特征峰值向低温方向移动，由77.2℃下降到59.2℃。而R相变有一个从无法辨别到不明显，再到明显的过程，并且相应的马氏体相变特征峰值向低温方向偏移，峰值温度由47.2℃下降到17.1℃。尽管奥氏体和马氏体相变特征峰值都向低温方向移动，但随着Ni含量的升高，马氏体相变热滞从-0.4℃增加到19℃，而R相变热滞则明显减少。激光功率的增加导致马氏体正相变特征温度有所增大，但对马氏体逆相变无明显影响。马氏体正逆相变特征温度均随着扫描速度的增加而增大，且其特征峰均呈现宽化现象。搭接率和切片层厚对各相变特征温度并无明显的影响。随着取样位置的升高，马氏体相变热滞和R相变热滞均减小。激光的快速加热使Ni和Ti元素难以完全相互扩散，首先生成NiTi2和TiNi3，并在后续热循环作用继续扩散形成NiTi相。激光成形的NiTi合金由定向的细小枝晶构成，成分较均匀。晶粒细化和NiTi2相所造成的成分偏析是NiTi合金相变特征温度变化的根本原因，并导致形状记忆效应改变。通过均匀混合Ni/Ti 粉末、改变工艺参数可控制NiTi合金的熔凝过程，进而控制最终的物相组成和晶粒尺寸，改变NiTi合金的形状记忆效应和超弹性性能。