激光選區(qū)熔化參數(shù)對(duì)鎳鈦合金性能的影響

鎳鈦合金是應(yīng)用最為廣泛的形狀記憶合金，具有穩(wěn)定的超彈性和形狀記憶性。同時(shí)，NiTi合金由于其特有的超彈性、形狀記憶性及良好的生物相容性和耐蝕性被廣泛應(yīng)用于生物植入材料。 NiTi合金的獨(dú)特力學(xué)性能來(lái)自于它的兩種相結(jié)構(gòu)：具有單斜結(jié)構(gòu)的 Ｂ１９’馬氏體相體現(xiàn)形狀記憶性、 立方結(jié)構(gòu)的Ｂ２奧氏體相具有超彈性。超彈性是在Ａｆ溫度以上，對(duì)NiTi合金施加超高外力而不產(chǎn)生塑性變形的能力。

NiTi合金的形狀記憶效應(yīng)是由于Ｂ２相在外力作用下發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，當(dāng)溫度升到Ａｆ以上時(shí)Ｂ１９’相又轉(zhuǎn)變?yōu)椋拢蚕?，?NiTi合金恢復(fù)到了原來(lái)的形狀．

雖然 NiTi合金的綜合性能優(yōu)異，但在切削過(guò)程中的高延展性和強(qiáng)烈的加工硬化導(dǎo)致加工困難、工 件質(zhì)量差．針對(duì)這一問(wèn)題，諸多學(xué)者采用以激光增材制造為代表的金屬增材制造技術(shù)制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的NiTi形狀記憶合金，在保證高精度的同時(shí)還能充分發(fā)揮合金的性能。

常用的３Ｄ打印工藝包括激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束熔化（EBM）和激光熔覆沉積技術(shù) （ LENS）．由下表可知，SLM切片厚度一般在２０～１００μｍ， 光斑尺寸也最小，在三種工藝中成形精度最高．

３Ｄ打印金屬構(gòu)件的成形質(zhì)量主要表現(xiàn)在表面粗糙度和致密度，表面粗糙度決定了成形工件的表 面質(zhì)量，致密度則會(huì)影響工件的力學(xué)性能．在ＳＬＭ過(guò)程中，采用體能量密度Ｅ表征多個(gè)SLM成形參數(shù)的共同作用機(jī)制：

Ｅ ＝Ｐ／（ｖ×ｈ×ｔ）

式中 Ｐ為激光功率，ｖ為激光掃描速度，ｈ為掃描間距，ｔ為每層的鋪粉厚度．SLM工藝在過(guò)低體能量密度條件下使粉末熔化不充分、熔池較小，這會(huì)導(dǎo)致熔池間或?qū)娱g結(jié)合差，使試樣無(wú)法成形或產(chǎn)生裂紋、翹曲和孔洞等缺陷．

SLM的表面成形質(zhì)量主要受到掃描速度和激光功率影響，下圖為采用不同掃描速度及激光功率制備的NiTi合金表面形貌．可見(jiàn)當(dāng)采用過(guò)低掃描速度或過(guò)大功率時(shí)，熔池凝固后表面會(huì)有波紋狀褶皺；當(dāng)掃描速度過(guò)快或激光功率過(guò)小時(shí)，由于熔池內(nèi)金屬熔體的表面張力，會(huì)產(chǎn)生球化現(xiàn)象．

當(dāng)激光功率和掃描速度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行搭配時(shí)，成形件有較優(yōu)異的表面粗糙度，但對(duì)致密度有一定影響．由于不同參數(shù)配合下的熔池形狀不同，加上掃描間距ｈ的控制，ｈ過(guò)大會(huì)使熔道間搭接不充分且產(chǎn)生孔洞或未熔粉末，熔道搭接高度至少要等于鋪粉厚度，才能保證成品致密．

研究結(jié)果表明，制備致密度達(dá)到９９％ 以上 的 NiTi合金所需最低能量密度大約２００Ｊ／ｍｍ3，不同能量密度下致密度的數(shù)據(jù)匯總?cè)缦聢D所示：

在一定激光功率下較低和較高的掃描速度都會(huì)降低成品致密度。

實(shí)際上，SLM 過(guò)程的激光體能量密度由Ｐ ，ｖ和ｔ等多個(gè)工藝參數(shù)共同作用，單一使用體能量密度無(wú)法保證SLM 高成形質(zhì)量．

綜上所述，采用SLM 制備 NiTi時(shí)，單一的體能量密度無(wú)法保證高成形質(zhì)量，應(yīng)該結(jié)合功率、速度、層厚等多個(gè)不同參數(shù)的綜合影響考察致密度，減少缺陷。

顯微結(jié)構(gòu)是影響材料性能的重要因素，其中包括晶粒取向和晶粒大小．在SLM工藝中，晶粒經(jīng)歷多次掃描過(guò)程，反復(fù)出現(xiàn)熔化再結(jié)晶過(guò)程，取向會(huì)受到激光斑點(diǎn)移動(dòng)方向的影響。由于SLM是將工件從基板垂直向上構(gòu)建，激光斑點(diǎn)總是在最上層，因此 ＜００１＞的織構(gòu)大量產(chǎn)生。同時(shí)，SLM 工藝得到的晶粒尺寸受冷卻速率影響，冷卻速率大則晶粒尺寸小，織構(gòu)的擇優(yōu)取向也會(huì)弱化。

研究表明：能量密度對(duì)晶粒大小并沒(méi)有直接影響，但是冷卻速率會(huì)影響晶粒尺寸，較快的掃描速率會(huì)產(chǎn)生大的冷速。

綜上，SLM成形NiTi合金的顯微結(jié)構(gòu)主要受溫度梯度和冷卻速率的影響，掃描速率越大、激光功率越小，會(huì)導(dǎo)致冷卻速率越大．因此，可通過(guò)調(diào)控這兩個(gè)變量實(shí)現(xiàn)不同顯微組織的調(diào)控．

NiTi合金相轉(zhuǎn)變溫度的變化主要取決于成形后的Ni含量，所有影響成形后Ni含量的因素都將對(duì)相轉(zhuǎn)變溫度造成影響。

所以，SLM成形所用NiTi合金粉末的初始Ni含量對(duì)于最終性能有著重要影響.室溫下相組成受相轉(zhuǎn)變溫度影響，在激光掃描速度較低的情況下，由于Ni的蒸發(fā)更多，會(huì)使相轉(zhuǎn)變溫度升高，使得馬氏體在室溫下更穩(wěn)定，形狀記憶性更好，相反較高的激光掃描速度有利于奧氏體相穩(wěn)定性，超彈性更好。

研究發(fā)現(xiàn)：

1、激光功率的升高會(huì)增加 Ｎｉ的燒損，導(dǎo)致相轉(zhuǎn)變溫度升高，增強(qiáng) Ｂ１９’相的穩(wěn)定性．

2、隨激光功率的增加Ｂ２→Ｂ１９’的轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng)，相轉(zhuǎn)變溫度和相變焓直線增加．這也是在高Ｐ 和ｖ下制備的 NiTi合金在室溫存在較少 Ｂ１９’相的原因．

綜上，基于不同的激光能量密度或掃描參數(shù)，可以有效控制相轉(zhuǎn)變溫度，最終實(shí)現(xiàn)NiTi合金綜合性能的調(diào)控．

現(xiàn)在NiTi合金主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，這是因?yàn)槠鋬?yōu)良的生物相容性和力學(xué)性能，由于在人體內(nèi)的植入物一般要求體積小、精度高，SLM 工藝的精度可滿(mǎn)足要求．總體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用廣泛，制造尺寸精度高且性能良好，激光選區(qū)熔化技術(shù)是一個(gè)制造復(fù)雜形狀 NiTi合金工件的優(yōu)良方法．但對(duì)于SLM 工藝制備 NiTi合金仍存在一些問(wèn)題：在SLM 過(guò)程中因 Ｎｉ的燒損，使得成形件的 Ｎｉ含量低于粉末；采用不同參數(shù)進(jìn)行SLM工藝制備N(xiāo)iTi時(shí)，Ｎｉ元素的燒損量不同，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)參數(shù)與Ｎｉ燒 損的量化關(guān)系；SLM工藝制備的 NiTi合金致密度還有待提高．

今后 NiTi合金的發(fā)展方向應(yīng)該還主要在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，結(jié)合３Ｄ 打印技術(shù)可以直接生產(chǎn)出有性能梯度的材料，比如通過(guò)參數(shù)控制同一工件的不同部分具有不同的Ni含量，可以使 NiTi合金的應(yīng)用更加靈活．通過(guò)進(jìn)一步研究，激光選區(qū)熔化制造的NiTi合金將有更大發(fā)展空間．

《激光選區(qū)熔化制備鎳鈦合金的研究進(jìn)展》

文章編號(hào)：1673-9981(2021)03-0276-11