熱處理對激光選區(qū)熔化鎳鈦合金性能的影響

NiTi 形狀記憶合金因具有優(yōu)異的形狀記憶特性、超彈效應、生物相容性和耐腐蝕性等，廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車等領域．隨著上述領域應用需求的不斷提升，亟須開展形狀結構復雜、相變溫度區(qū)間寬、應變強度大的NiTi形狀記憶合金構件成形的研究．然而NiTi 合金具有加工硬化等固有特性，傳統(tǒng)制造方式獲得高性能且形狀結構復雜的NiTi 合金構件較為困難．

增材制造技術降三維制造為二維制造，特別適合復雜結構構件的成形，其中激光選區(qū)熔化(selectivelaser melting，SLM)增材制造技術因采用光纖激光器，激光能量密度高、光斑細小、成形精度高，是當前用于復雜結構NiTi合金構件成形的主要技術之一.

為此，本研究采用激光選區(qū)熔化成形了NiTi合金構件，分析了不同熱處理溫度對構件的物相、相變溫度、顯微硬度和拉伸性能等的影響規(guī)律，為提升激光選區(qū)熔化成形NiTi合金性能提供借鑒和參考．

采用NiTi球形粉末，該粉末具有較好的球形度，粒度為15～53 μm，其粉末成分(質(zhì)量分數(shù))為w(Ni)=55.56%，w(N)=0.001 8%，w(O)=0.052 3%，w(C)≤0.01%，其余成分為Ti．

采用M125型激光選區(qū)熔化設備成形NiTi合金樣品，激光功率為250 W，掃描速度為1 000 mm/s，掃描間距為120 μm，鋪粉層厚為30 μm

激光選區(qū)熔化成形NiTi合金樣品實物如圖1所示．

拉伸樣品實物圖及尺寸參數(shù)如圖2所示．

熱處理過程如圖3所示．

圖4是激光選區(qū)熔化成形NiTi合金及其熱處理后樣品的X射線衍射(XRD)圖譜，圖5是不同熱處理溫度下各種相的體積分數(shù)(φ)，由圖4和圖5可以看出熱處理溫度為300，400 和500 ℃的NiTi合金樣品除了立方結構奧氏體相，還含有單斜結構的馬氏體相及Ni4Ti3析出相，馬氏體相和Ni4Ti3析出相體積分數(shù)隨著溫度升高先增大后減?。纱丝梢姾线m的熱處理溫度可以調(diào)控Ni4Ti3相析出

圖6 為激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金及其熱處理后樣品的相變溫度(t)圖．NiTi合金有B2奧氏體和B19′ 馬氏體兩種基本相，此外還有亞穩(wěn)態(tài)R中間相，三者之間除了常見的B2?B19′ 相變還可能存在R相變，即B2?R 和R?B19′．從圖6可以看到其相變過程為B2→R→B19′/B19′→B2．研究表明R相變的出現(xiàn)主要與基體中Ni4Ti3析出相等因素相關，因為Ni4Ti3析出相可以促進R相變的發(fā)生．結合XRD圖譜進一步證明了在熱處理過程中產(chǎn)生了Ni4Ti3析出相。

圖7 為激光選區(qū)熔化成形NiTi合金及其熱處理后樣品的奧氏體轉變溫度。

由圖7可知：隨著熱處理溫度升高，奧氏體轉變和馬氏體轉變的開始溫度、峰值溫度和結束溫度都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢．

在NiTi合金中Ni原子的相對含量對相變溫度影響顯著，一般認為Ni 原子的相對含量每增加1%，相變溫度降低100 ℃.

綜上所述，在上述合金成分和位錯等缺陷的共同作用下，NiTi 合金相變溫度隨著熱處理溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢．

由此可見：通過改變激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金后的熱處理溫度，可以調(diào)控NiTi合金的相變溫度．

圖8 為激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金及其熱處理后樣品維氏硬度．由圖可知：隨著熱處理溫度的升高，NiTi 合金的硬度先降低后升高，且當熱處理溫度為300 ℃時的硬度最大．未進行熱處理的NiTi合金硬度與熱處理溫度為400 ℃時的硬度基本相當。

圖9 為激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金及其熱處理后樣品的應力(σ)-應變(ε)曲線圖．由圖9 可知：在拉伸過程中，NiTi 合金樣品未表現(xiàn)出明顯的屈服階段，樣品的頸縮階段和斷裂階段瞬時完成，這是因為測試溫度遠高于NiTi 合金相變溫度．

進一步發(fā)現(xiàn)：

拉伸強度的變化趨勢與顯微硬度類似，隨著熱處理溫度的升高，激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金的拉伸強度先降低，當熱處理溫度為500 ℃時，達到最低值622 MPa，隨后開始逐漸升高．熱處理溫度下的NiTi 合金拉伸強度均高于未進行熱處理的NiTi 合金拉伸強度(606 MPa)，其中當熱處理溫度為300 ℃時，拉伸強度達到最大值796 MPa，比未進行熱處理的NiTi 合金拉伸強度提升了31.35%．

A、對激光選區(qū)熔化成形NiTi 合金進行了300～700 ℃的熱處理，結果表明隨著熱處理溫度的升高，NiTi 合金馬氏體轉變溫度和奧氏體轉變溫度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢．

B、當對NiTi 合金進行300～500 ℃的熱處理時，NiTi 合金中析出的Ni4Ti3相對基體產(chǎn)生強化作用，同時使得基體中Ni 原子相對含量減少，促使NiTi 合金相變溫度升高；當升高溫度到500 ℃時，Ni4Ti3析出相體積分數(shù)減少，強化效果減弱；當繼續(xù)升高到600 ℃時，達到了NiTi 合金再結晶溫度，基體在室溫下全部為奧氏體組織，顯微硬度和拉伸強度又逐漸增加．

C、隨著熱處理溫度的升高，NiTi 合金的顯微硬度和拉伸強度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢；當熱處理溫度為300 ℃時NiTi 合金的硬度和拉伸強度均達到最大值(251.7 HV 和796 MPa)，較未進行熱處理的NiTi 合金分別提升了27.84% 和31.35%．

《熱處理對激光選區(qū)熔化鎳鈦合金性能的影響》

華中科技大學

中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院

文世峰 陳志橋 甘杰 周燕

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