激光选区熔化成形NiTi形状记忆合金技术基础研究

激光选区熔化成形钛铝合金微观组织与性能演变规律研究TiAl合金具有低密度、优异的高温强度和蠕变抗力等优点,作为高温结构材料,其在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

但是,TiAl 合金热加工性能较差以及其本征脆性,传统加工方法难以甚至无法整体制造出具有复杂结构的高性能TiAl合金零件。

金属增材制造技术(Metal Additive Manufacturing,MAM)在无需刀具以及模具的前提下,利用三维CAD数据,可以直接快速精确的整体制造出复杂高性能金属零件。

激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是最具发展潜力的金属增材制造技术之一。

利用SLM技术逐层熔化微细TiAl合金粉末,在理论上上可成形任意复杂结构的TiAl合金零件。

然而,SLM成形过程存在快速熔化、快速凝固和逐层叠加等特征,与传统工艺有较大的差异性,最终导致SLM成形零件与传统方法在微观组织与性能方面存在明显差异。

因此,本文以Ti-45Al-2Cr-5Nb合金粉末为成形材料,研究SLM成形TiAl合金的工艺、显微组织及力学性能。

主要结论和创新点如下:1、研究了激光功率对SLM成形Ti-45Al-2Cr-5Nb合金微观组织、相组成与维氏硬度的演变规律。

发现SLM成形的Ti-45Al-2Cr-5Nb合金主要由α2,γ和B2三相组成,上表面和侧面微观组织分别为等轴晶和柱状晶。

激光扫描形成的熔池被分割成三个区域:粗晶区、过渡区和细晶区。

随着激光功率的增加,晶粒尺寸逐渐增大并且其取向由强烈的(0001)转变为(0001),(1011)和(1121),同时大角度晶界(high-angle grain boundaries,HAGBs)和α2相的含量也逐渐增大。

另外,由于晶粒尺寸的增大以及B2相含量的降低,成形件的维氏硬度随激光功率增大由580.1±16.4 Hv1/15逐渐减小至561.7±16.1 Hvi/15。

材料工程第49卷第3期2021年3月第1—13页Journal of Materials EngineeringVol.49No.3 Mar.2021pp.1―13NiTi基形状记忆合金弹热效应及其应用研究进展Research progress in elastocaloric effect and itsapplication of NiTi-based shape memory alloys朱雪洁S钟诗江S杨晓霞2,张学习S钱明芳S耿林1(1哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001;2山东大学材料科学与工程学院，济南250014)ZHU Xue-ie1,ZHONG Shi-iang】,YANG Xiao-xia2,ZHANG Xue-xi1,QIAN Ming-fang1,GENG Un1(1School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute ofTechnology?Harbin150001,China2School of Materials Scienceand Engineering,Shandong University?J inan250014,China)摘要：NiTi合金作为性能最优异的形状记忆合金之一，已经广泛应用于航空航天、电子、建筑、生物医学等领域。

近年来，NiTi基合金极佳的力学性能、巨大的弹热效应和良好的机械加工性使其在弹热制冷领域引起了广泛关注。

然而，传统NiTi二元合金超弹性应力滞后大，超弹性和弹热效应循环稳定性差，达不到实际应用所需的长期服役要求。

本文介绍了NiTi基合金的弹热效应研究进展，从掺杂合金元素、热机械处理、改变制备方法等角度综述了近几年NiTi基合金弹热效应改进优化的研究进展，同时本文也简要介绍了已经开发的基于NiTi基合金的弹热装置或原型机。

但是目前NiTi基合金弹热材料的研究和原型机的开发仍处于实验阶段，实现其商业化应用需要进一步深入研究和优化，未来前者研究重点将集中在材料小型化、合金化或特殊处理及改变循环方式等方面，后者也将从提高热量传输效率、加强热量交换、减小摩擦等损耗、改进机械负载和循环模式等方面不断优化和完善。

niti形状记忆合金的固溶线概述及解释说明1. 引言1.1 概述在过去的几十年里，材料科学领域一直致力于研究和开发新型智能材料。

其中，形状记忆合金因其独特的性质和广泛的应用前景而备受关注。

作为形状记忆合金系列中的重要一员，niti形状记忆合金由镍（Ni）和钛（Ti）组成。

它具备两种状态：奥氏体相和马氏体相，在不同温度下可以通过固溶线自动实现相变。

本文将详细介绍niti形状记忆合金中固溶线的概念、特点以及与其相关的测定方法与调控因素。

深入了解这些内容对于进一步应用和优化niti形状记忆合金具有重要意义。

1.2 文章结构本文章分为五个主要部分，每个部分都旨在全面探讨niti形状记忆合金的固溶线。

首先是引言部分，我们将简单介绍niti形状记忆合金以及本文的目标。

然后，在第二部分中，我们将详细讨论niti形状记忆合金和固溶线的基本原理与特点。

接下来，第三部分将介绍固溶线测定的一些常用方法，包括热分析法、电阻率法和显微结构观察法。

第四部分将探讨影响固溶线的因素以及调控这些因素的方法，包括成分与比例对固溶线的影响、温度对固溶线的影响以及加工工艺对固溶线的调控方法。

最后，在结论部分，我们将总结文章内容并展望niti形状记忆合金固溶线领域未来的研究发展方向。

1.3 目的本文旨在全面概述和解释niti形状记忆合金中固溶线的相关知识。

通过对合金含义与特点、马氏体相与奥氏体相转变原理以及固溶线定义与重要性等方面进行综合介绍，读者可以更好地了解niti形状记忆合金中固溶线所扮演的关键角色。

此外，我们还将详细介绍测定固溶线的常用方法以及影响固溶线位置和调控方法等实际应用内容，希望能为材料科学领域相关研究提供有价值的参考和启示。

2. niti形状记忆合金的固溶线：2.1 合金的含义和特点：合金是由两种或更多种金属元素混合而成的材料。

niti形状记忆合金是一种独特的合金，其主要成分为镍（Ni）和钛（Ti）。

这种合金因具有形状记忆效应而受到广泛关注。

一、概述形状记忆合金（SMAs）是一种具有记忆性能的功能材料，具有形状可逆性和超弹性等独特性能。

其中，niti形状记忆合金由镍和钛两种元素组成，具有优良的记忆性能和机械性能，被广泛应用于医疗器械、汽车、航空航天等领域。

而动态扫描量热仪（DSC）曲线是研究niti形状记忆合金相变行为的重要手段。

二、niti形状记忆合金的基本性能1. 记忆效应niti形状记忆合金具有记忆效应，即在预设的形状被改变后，当受到外力或温度变化等刺激后，能够恢复到其预设的形状，这一特性使得niti形状记忆合金在医疗领域中得到广泛应用，如血管支架等医疗器械的制造。

2. 超弹性niti形状记忆合金还具有超弹性，即在受到外力作用时，能够产生较大的形变而不会发生塑性变形，一旦外力消失，又能够自行恢复原有形状，这种性能使得niti形状记忆合金在汽车和航空航天领域中得到广泛应用。

三、动态扫描量热仪曲线的意义1. 相变温度动态扫描量热仪曲线可以帮助研究人员测定niti形状记忆合金的相变温度，包括马氏体相变和铁素体相变的温度范围和特性，这对于合金的性能评价和应用具有重要意义。

2. 相变热DSC曲线还可以用来测定niti形状记忆合金的相变热，即相变过程中所释放或吸收的热量，这对于理解合金的相变机制和热力学性能具有重要意义。

四、niti形状记忆合金的DSC曲线特征1. 马氏体相变峰在DSC曲线上，马氏体相变通常会呈现出一个明显的放热峰，该峰对应着马氏体相变所释放的热量，通过测定该峰的温度和面积可以得到相变温度和相变热。

2. 铁素体相变峰在DSC曲线上，铁素体相变也会呈现出一个放热峰，该峰对应着铁素体相变所释放的热量，通过测定该峰的温度和面积可以得到相变温度和相变热。

五、niti形状记忆合金的DSC曲线分析1. 相变温度通过分析DSC曲线上的马氏体相变和铁素体相变的温度峰值可以得到合金的相变温度范围，并进一步研究相变温度与合金组织结构和成分之间的关系。

选择性激光熔化成形关键基础问题的研究进展Research Progress of Key Basic Issue in Selective Laser Melting of Metallic PowderSLM 技术集成了先进的激光技术、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM）技术、计算机控制技术、真空技术、粉末冶金技术。

SLM技术的出现给复杂金属零件的制造带来了一场革命.当前,SLM 技术的研究正成为热点并受到国内外学术界和制造界的广泛重视。

（Rapid Prototyping & Manufacturing，RP＆M)的最新发展形式之一.SLM成形技术基于分层—叠加制造的思想，利用高能量激光束将金属粉末逐层熔化并成形为金属零件，具有制作形状复杂、相对密度高、节省材料等优点[1-2］。

SLM成形的基本思想与其基于快速制造高性能复杂金属零件的需求，选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）快速成形技术诞生了，它是快速原型制造他快速成形技术相同：首先建立零件的CAD 模型,对零件原型逐层切片，每一层切片均包含截面的几何信息,并生成STL 格式文件。

然后在计算机控制下利用高能激光束熔化切片区域内的金属粉末，采用增长制造的原理成形出金属零件。

总之，SLM 技术集成了先进的工业大学等。

华中科技大学和法国激光技术、计算机辅助设计与制造Phenix 公司采用SLM 制作的复杂金(CAD/CAM）技术、计算机控制技术、属零件分别如图1、图2所示。

真空技术、粉末冶金技术.SLM技目前，SLM 技术在国外已经用术的出现给复杂金属零件的制造带来了一场革命。

当前，SLM 技术的研究正成为热点并受到国内外学术界和制造界的广泛重视.在国外,研究SLM 的国家主要集中在德国、日本、比利时、法国等。

其中德国是研究该技术最早、技术最成熟的国家。

德国的MCP 公司和EOS 公司、法国的Phenix 公司推出了商品化的激光熔化成形设备，并在国际上处理领先地位。

- 32 -高 新 技 术增材制造技术（俗称“3D 打印”技术），是最近30年逐渐发展起来的一项先进制造技术[1]。

增材制造技术由于具有工艺周期短、精度高以及低成本、不受结构限制的制造技术优势，正在成为航空发动机领域的重要发展方向，被越来越多地应用在航空发动机领域。

在复杂精密金属零件制造领域，对零件的尺寸精度有严格的要求，提高尺寸精度，可以缩短零件的后处理时间，降低制造成本[2]。

尺寸精度是激光选区熔化增材制造技术中的关键问题，对零件的质量有至关重要的影响。

而激光选区熔化涉及多学科、多领域，是集成粉末冶金技术、数控技术、激光技术、机械、计算机和真空技术为一体的复杂制造新技术。

如何控制复杂的激光选区熔化增材制造从而获得高精度的金属构件是目前研究的主要内容。

该文分析了激光选区熔化增材制的特点，对影响成形质量的相关因素进行研究。

使不同厚度基板分别在相同的激光功率、相同的激光扫描速度状态下“生长”薄壁类型零件。

根据实验结果，初步提出一些用于激光选区熔化的零件设计制造规则。

为了综合考察实验结果，设计一个具有大面积薄壁结构的零件并进行激光选区熔化成行。

分析了零件的结构特点，并设计了工艺参数，提出了工艺方案，最终形成了具有较高精度的薄壁类型的金属零件。

１　激光选区熔化原理及优势目前增材制造技术的种类繁多，激光选区熔化（SelectiveLaser Melting，SLM）技术借助计算机辅助设计，基于离散-分层-叠加的原理，利用高能激光束将金属粉末材料直接成形为致密的三维实体制件，成形过程不需要任何工装模具，也不受制件形状复杂程度的限制，是当今世界最先进的、发展速度最快的一种金属增材制造技术[3] 。

由于采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，因此，SLM 技术在成形精密金属零件方面比其他增材制造技术更具有优势[4-5]。

２　工艺研究及验证应用２．１　设备与原材料该次研究使用型号为TSC-X350C 选区熔化成形设备，选取气雾化镍基合金GH4169高温合金粉末新粉作为成形原料（见表1）。