CN111957966A - 4d打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，属于金属增材制造技术领域，针对双程变形要求，设计部件结构，确立形状一，并建立该结构的三维数字模型；采用3D打印技术将镍钛合金打印成零件；将打印好的镍钛记忆合金零件加热，保温后水冷淬火，进行固溶处理；将固溶处理好的零件安装在变形模具中固定成形状二，再将模具和零件固定成形状二状态下加热，保温，最后将其冷却至室温，获得双程记忆效应；本发明采用约束时效方式实现镍钛形状记忆合金的双程记忆效应，利用变形模具约束部件在形状二的状态下完成时效过程，是双程记忆效应的训练方法；获得采用小变形部之间的组装，控制每个单元的变形即可实现智能结构的可编程变形。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法。
背景技术
4D打印是智能材料及结构的增材制造方法，目的是利用智能材料对外界因素的响应，在3D打印静态制造的基础上增加一个对材料的影响维度，从而使得打印产品具有传感、控制和驱动功能。
镍钛形状记忆合金具有优良的力学性能、抗疲劳、耐磨损、抗腐蚀、形状恢复率高、生物相容性好等特性，应用范围涉及航空航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程、民用和医学领域。
镍钛形状记忆合金是一种典型的智能材料，其能够实现对温度变化的响应，呈现形状记忆效应。镍钛合金的形状记忆效应有单程效应、双程效应和全程效应三种。
目前大部分镍钛合金形状记忆效应的应用形态是单程记忆效应，只要记忆高温态的形状，其加工过程相对简单。而双程记忆效应指的是合金在加热冷却的循环中，记忆高温和低温态两个形状，使之可以随温度变化而形状发生交替性变化，加工复杂度要求较高。而且，由于镍钛合金加工性能差，复杂部件的成形难以实现，更难实现复杂部件的双程记忆效应。
因此，目前基本以丝材等简单形状和单程效应加以应用。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，实现了镍钛形状记忆合金复杂部件成形和双程记忆效应的应用。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，包括如下步骤：
(1)针对双程变形要求，设计变形单元结构，确立形状一，建立该结构的三维数字模型；
(2)采用3D打印技术将镍钛合金打印成部件形状一，得到镍钛记忆合金零件；
(3)将镍钛记忆合金零件放置电炉中加热并保温后，经水冷淬火，进行固溶处理；
(4)将固溶处理好的部件安装在变形模具中固定成形状二，再将模具和零件固定成形状二状态下放置电炉中进行约束时效处理，最后将其随炉冷却至室温，获得双程记忆效应，得到具有双程效应的镍钛记忆合金部件，将处理好的构件按照需求连接成变形结构，在通电的条件下使得变形结构发生变形完成4D打印。
进一步地，步骤(1)中，所述的变形单元结构为圆角菱形、圆角三角形、不规则多边形中的任意一种。
进一步地，步骤(2)中，所述的采用3D打印技术是采用定向能量沉积技术(DED)打印变形单元，打印的时候参数为：电流为40A～60A，机床速度为1mm/s～2mm/s，层厚1mm～2mm。
进一步地，步骤(2)中，所述的镍钛合金中原材料镍钛合金粉末中镍原子百分比为50.5％～54％，钛原子百分比为余量。原材料合金粉末中镍原子比例略高于钛原子，通常3D打印时镍会比钛的损耗略多，而且随着热输入增加，镍损耗更高。但打印后仍要求镍原子比钛原子多，以便热处理后析出富镍的沉淀相后，仍保持基体中两种原子比接近1。因此，原材料的成份设计需要考虑3D打印工艺中热输入引起的损耗情况，以及高温和低温的形变温度区间需求来调整镍钛原子相对含量。
进一步地，步骤(3)中，所述的加热温度为700℃～900℃，保温时间为90min～120min。
进一步地，步骤(4)中，所述的约束时效处理中加热温度为400℃～500℃，保温时间为60min～90min。
进一步地，步骤(3)和步骤(4)，所述的加热温度的升温速率为5℃/min。
进一步地，步骤(3)和步骤(4)中，所述的电炉内通入氩气保护。
进一步地，步骤(2)中，所述的3D打印技术中，3D打印基板预热温度至150℃～300℃。以防止打印过程中产生裂纹等缺陷。
进一步地，步骤(4)中，若干个相同或不同的具有双程效应的镍钛记忆合金部件，通过连接单元组成阵列结构，形成智能结构。2-4个部件以基点与连接单元相连接，连接单元对相连的镍钛部件进行定位和固定。根据控制策略的要求，连接单元可以是导电或不导电材料制作，当行或列或某种组合通电时，会选择性的使得阵列结构中的变形部件(通过电流的)发生双程形变效应，从而使结构发生可控的多种变形结果，实现智能变形结构的功能实现4D打印效果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其基于现有的4D打印技术的特点，研究设计了合适的热处理工艺及约束模具，实现了具有双程记忆效应的4D打印方法。由此技术制成的镍钛合金变形单元组合起来能够在温度作用下实现伸展、弯曲、扭转等多种变形功能，实现智能材料的可编程控制；利用3D打印技术直接打印所需变形部件的形状一，解决了镍钛形状记忆合金加工困难的问题；采用约束时效方式实现镍钛形状记忆合金的双程记忆效应，利用变形模具约束部件在形状二的状态下完成时效过程，是一种易于实现的双程记忆效应的训练方法；获得采用小变形部之间的组装，控制每个单元的变形即可实现智能结构的可编程变形。
附图说明
图1是本发明制作变形部件的工艺流程图；
图2是采用Ni50.8Ti49.2粉体为原材料时变形部件的差热分析结果图。
图3是采用Ni50.8Ti49.2粉体为原材料时变形部件在通电加热时形状记忆恢复率图；
图4是一种圆角菱形的变形单元结构示意图，其边长为20mm；
图5是利用圆角菱形组成的可编程智能结构的立体结构示意图；
图6是一种圆角三角形的变形单元结构示意图，其边长为30mm。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
如图1所示，4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，包括如下步骤：
(1)根据结构与变形需求设计智能结构单元，确定变形单元安装方法，建立变形单元的计算机三维模型。采用镍钛形状记忆合金作为变形单元的材料，根据变形需求选择合适的约束模具；
(2)以镍钛形状记忆合金粉体作为原材料，采用定向能量沉积技术(DED)制备变形单元，先对设备舱进行抽真空处理，再通入氩气作为保护气体。在打印开始之前，需将基板预热至150℃～300℃，以防止裂纹的产生。在电流为40A～60A，机床速度为1mm/s～2mm/s的参数下打印变形单元的形状一。打印完成后，待样品完成冷却后，抽出设备舱中的氩气并充入空气，随后取出样品；
(3)对步骤(2)所得的变形单元放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行固溶处理，温度为700℃～900℃，保温90min～120min，固溶处理时需通入氩气进行保护；
(4)将固溶处理后的变形单元放入冷水中进行淬火处理，待冷却至室温后将其放入约束模具中将其固定为形状二，再将其放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行时效处理，温度为400℃～500℃，保温60min～90min。时效完成后将变形单元放入冷水中淬火，便得到了具有双程记忆效应的变形单元；
(5)对训练好的零件进行差热分析以及形状记忆回复率测试以便获得合适的加热温度。图2是采用Ni50.8Ti49.2粉体为原材料时变形部件的差热分析结果图，表明奥氏体转变(升温)温度区间是0-50℃，马氏体转变(降温)温度区间是35-10℃。图3是采用Ni50.8Ti49.2粉体为原材料时变形部件的变形性能图，升温形变恢复率为78％，降温形变恢复率为(1-18％)＝82％；
(6)若干个相同或不同的具有双程效应的镍钛记忆合金部件，通过连接单元组成阵列结构。2-4个部件以基点与连接单元相连接，连接单元对相连的镍钛部件进行定位和固定。根据控制策略的要求，连接单元可以是导电或不导电材料制作，当行或列或某种组合通电时，会选择性的使得阵列结构中的变形部件(通过电流的)发生双程形变效应，从而使结构发生可控的多种变形结果，实现智能变形结构的功能实现4D打印效果。
实施例1
针对本发明所述的4D打印智能结构技术，设计了一个以Ni50.8Ti49.2粉体为原料制备如图5圆角菱形变形单元的工艺流程，其步骤具体如下：
(1)首先根据需求设计智能结构，确定变形单元安装方法，建立变形单元的计算机三维模型。采用镍钛形状记忆合金作为变形单元的材料，根据变形需求选择合适的约束模具。
(2)以Ni50.8Ti49.2粉体作为原材料，采用定向能量沉积技术(DED)制备变形单元，先对设备舱进行抽真空处理，再通入氩气作为保护气体。在打印开始之前，需将基板预热至150℃，以防止裂纹的产生。在电流为50A，机床速度为1.5mm/s的参数下打印如图4所示的变形单元形状一。打印完成后，待样品完成冷却后，抽出设备舱中的氩气并充入空气，随后取出样品。
(3)对步骤(2)所得的变形单元放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行固溶处理，温度为800℃，保温时间为120min，固溶处理时需通入氩气进行保护。
(4)将固溶处理后的变形单元放入冷水中进行淬火处理，待冷却至室温后将其放入约束模具中将其固定为形状二，再将其放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行时效处理，温度为450℃，保温时间为80min。时效完成后将变形单元放入冷水中淬火，便得到了具有双程记忆效应的变形单元。根据图2可知加热温度达到40℃变形单元即可完成马氏体相变变形为形状二。
(5)将训练好的零件按照设计需求在基点处连接变形单元，组装成如图5所示的变形结构，该结构在不同的通电条件下加热就能够发生y-z截面形状变化、x、y方向伸长缩短、弯折等变形效果实现4D打印效果。
实施例2
针对本发明所述的4D打印智能结构技术，设计了一个以Ni50.8Ti49.2为原料制备圆角菱形变形单元的工艺流程，其步骤具体如下：
首先根据需求设计智能结构，确定变形单元安装方法，建立变形单元的计算机三维模型。根据变形需求选择合适的约束模具。
以Ni50.8Ti49.2丝材作为原材料，采用定向能量沉积技术(DED)制备变形单元，先对设备舱进行抽真空处理，再通入氩气作为保护气体。在打印开始之前，需将基板预热至180℃，以防止裂纹的产生。在电流为60A，机床速度为2mm/s，送丝速度为20mm/s.的参数下打印如图6所示变形单元的形状一。打印完成后，待样品完成冷却后，抽出设备舱中的氩气并充入空气，随后取出样品。
对步骤(2)所得的变形单元放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行固溶处理，温度为850℃，保温时间为100min，固溶处理时需通入氩气进行保护。
将固溶处理后的变形单元放入冷水中进行淬火处理，待冷却至室温后将其放入约束模具中将其固定为形状二，再将其放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行时效处理，温度为400℃，保温时间为90min。时效完成后将变形单元放入冷水中淬火，便得到了具有双程记忆效应变形单元的形状二。将处理好的构件按照需求连接成变形结构，在通电的条件下使得结构发生变形实现4D打印效果。根据图2可知加热温度达到40℃变形单元即可完成马氏体相变变为形状二。
实施例3
针对本发明所述的4D打印智能结构技术，设计了一个以Ni50.8Ti49.2丝材为原料制备如图6所示圆角三角形变形单元的工艺流程，其步骤具体如下：
首先根据需求设计智能结构，确定变形单元安装方法，建立变形单元的计算机三维模型。采用镍钛形状记忆合金作为变形单元的材料，根据变形需求选择合适的约束模具。
以Ni50.8Ti49.2丝材作为原材料，采用定向能量沉积技术(DED)制备变形单元，先对设备舱进行抽真空处理，再通入氩气作为保护气体。在打印开始之前，需将基板预热至200℃，以防止裂纹的产生。在电流为40A，机床速度为1mm/s，送丝速度为20mm/s.的参数下打印如图6所示变形单元的形状一。打印完成后，待样品完成冷却后，抽出设备舱中的氩气并充入空气，随后取出样品。
对步骤(2)所得的变形单元放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行固溶处理，温度为900℃，保温时间为90min，固溶处理时需通入氩气进行保护。
将固溶处理后的变形单元放入冷水中进行淬火处理，待冷却至室温后将其放入约束模具中将其固定为形状二，再将其放入高温箱式电炉中以5℃/min的升温速率进行时效处理，温度为500℃，保温时间为60min。时效完成后将变形单元放入冷水中淬火，便得到了具有双程记忆效应变形单元的形状二。将处理好的构件按照需求连接成变形结构，在通电的条件下使得结构发生变形实现4D打印效果。根据图2可知加热温度达到40℃变形单元即可完成马氏体相变变为形状二。
Claims (10)
1.4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对双程变形要求，设计变形单元结构，确立形状一，建立该结构的三维数字模型；
(2)采用3D打印技术将镍钛合金打印成部件形状一，得到镍钛记忆合金零件；
(3)将镍钛记忆合金零件放置电炉中加热并保温后，经水冷淬火，进行固溶处理；
(4)将固溶处理好的部件安装在变形模具中固定成形状二，再将模具和零件固定成形状二状态下放置电炉中进行约束时效处理，最后将其随炉冷却至室温，获得双程记忆效应，得到具有双程效应的镍钛记忆合金部件，将处理好的构件按照需求连接成变形结构，在通电的条件下使得变形结构发生变形完成4D打印。
2.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的变形单元结构为圆角菱形、圆角三角形、不规则多边形中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的采用3D打印技术是采用定向能量沉积技术打印变形单元，打印的时候参数为：电流为40A～60A，机床速度为1mm/s～2mm/s，层厚1mm～2mm。
4.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的镍钛合金中原材料镍钛合金粉末中镍原子百分比为50.5％～54％，钛原子百分比为余量。
5.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的加热温度为700℃～900℃，保温时间为90min～120min。
6.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的约束时效处理中加热温度为400℃～500℃，保温时间为60min～90min。
7.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)，所述的加热温度的升温速率为5℃/min。
8.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中，所述的电炉内通入氩气保护。
9.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的3D打印技术中，3D打印基板预热温度至150℃～300℃。
10.根据权利要求1所述的4D打印制备镍钛双程记忆变形部件及智能结构的方法，其特征在于，步骤(4)中，若干个相同或不同的具有双程效应的镍钛记忆合金部件，通过连接单元组成阵列结构，形成智能结构。在不同的通电条件下引起智能结构不同程度的变形，实现4D打印效果。
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