CN114535600A - 一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 - Google Patents
一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114535600A CN114535600A CN202210024668.4A CN202210024668A CN114535600A CN 114535600 A CN114535600 A CN 114535600A CN 202210024668 A CN202210024668 A CN 202210024668A CN 114535600 A CN114535600 A CN 114535600A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- memory alloy
- cualni
- shape memory
- optimizing
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 65
- 238000007639 printing Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000012795 verification Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000013386 optimize process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 9
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 18
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000007334 memory performance Effects 0.000 abstract description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HZEWFHLRYVTOIW-UHFFFAOYSA-N [Ti].[Ni] Chemical compound [Ti].[Ni] HZEWFHLRYVTOIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000002076 thermal analysis method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/80—Data acquisition or data processing
- B22F10/85—Data acquisition or data processing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
- B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
- C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法。包括如下步骤：制备预合金化粉末并对其进行小参数范围的选区激光熔化块体成型，分析熔池尺寸和可打印性；通过有限元分析，得到大范围不同工艺参数组合下的熔池形貌尺寸理论结果；基于实际熔池尺寸对有限元模拟结果进行优化和计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的理论可打印性能分布图及最优工艺参数组合区间；针对大参数范围可打印性预测结果，进行优化工艺参数区间的打印性验证和相变温度和形状记忆效应测试。本发明通过该种工艺设计优化方法，实现了高相变温度和优异形状记忆性能的CuAlNi高温形状记忆合金4D打印制备的快速高效工艺优化。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法。
背景技术
增材制造技术(俗称“3D打印”技术)是近三十年来发展起来的基于数字模型设计软件将材料分解为逐层数据以实现累加制造实体零件的技术，具有成形速度快、生产周期短、材料利用率高、材料适应性好、无需图纸及工装设备、数字化程度高等优点，广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等领域。随着高端设备的智能化发展中的重心逐渐转变为智能特性要求，4D打印技术通过3D打印技术制造特种构件实现形状、性能或功能随时间的可控变化，是实现复杂智能构件或智能材料制造的有效手段。
形状记忆合金能够通过奥氏体相和马氏体相的晶体学对应关系，在低温马氏体形态下发生相变之后可以在温度到达奥氏体转变温度后自动回复变形之前的形状，是一种应用广泛的智能材料。目前应用最广泛的形状记忆合金是近等原子比镍钛形状记忆合金。然而NiTi形状记忆合金的马氏体相变温度较低(一般低于373K)以及其可加工性能较差，极大地限制了其进一步应用。相较于传统NiTi合金，Cu基形状记忆合金具有更高的相变温度和优良的可加工性。然而传统加工方法制造的Cu基形状记忆合金，由于其固有的高脆性在加工时易发生晶间开裂。选区激光熔化技术又称激光粉末床制造，是目前增材制造的代表性工艺之一，在打印制造过程中冷却凝固速度极快，可以有效的细化晶粒，是有望解决Cu基高温形状记忆合金高脆性的一种制造工艺。
Cu基形状记忆合金的相变温度和形状记忆效应受合金的成分控制。尽管这给调控Cu基形状记忆合金的相变温度和形状记忆效应提供了有效手段，但是特定的粉末成分在制粉过程中需要单独定制，通过改变成分调控相变温度和形状记忆效应具有极高的成本。如何降低成本，通过利用少量粉末实现Cu基高温形状记忆合金的快速高效工艺优化是当前高温形状记忆合金的4D打印发展的亟需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，通过该种工艺设计优化方法，实现了高相变温度和优异形状记忆性能的CuAlNi高温形状记忆合金4D打印制备的快速高效工艺优化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，包括如下步骤：
(1)制备CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末；
(2)对步骤(1)得到的预合金化粉末进行小参数范围的选区激光熔化块体成型，分析熔池尺寸和可打印性；
(3)通过有限元分析，得到大范围不同工艺参数组合下的熔池形貌尺寸理论结果；
(4)基于实际熔池尺寸对有限元模拟结果进行优化和计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的理论可打印性能分布图及最优工艺参数组合区间；
(5)针对大参数范围可打印性预测结果，进行优化工艺参数区间的打印性验证和相变温度和形状记忆效应测试，实现基于CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化。
优选的，步骤(1)所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末各组分质量配比为Cu：Al：Ni＝80～90：10～14：2～4。
优选的，步骤(1)通过旋转电极雾化制备所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末。
优选的，所述步骤(2)采用ZEISS AX10光学显微镜和ST-100E全自动电子密度计进行可打印性分析。
优选的，所述步骤(2)采用RENISHAW-AM400激光选区熔化快速成型设备进行选区激光熔化，选择线间距、曝光时间、激光功率三个变量参数作为小参数范围打印试验参数，进行实验制备试样。
优选的，所述步骤(3)中使用Abaqus 6.14进行有限元分析。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明公开了基于选区激光熔化的CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化设计方法，包括通过旋转电极雾化制备预期成分的CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末；对高温形状记忆合金的粉末进行选区激光熔化小范围参数预实验，得到小参数范围的高温形状记忆合金的可打印性；
对大参数范围的不同工艺参数进行有限元分析，得到熔池尺寸的模拟结果；通过实际熔池尺寸，对模拟结果进行修正和可打印性边界条件计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的可打印性模拟计算结果；选择部分工艺参数进行模拟可打印性的验证性实验，辅以相变温度和形状记忆效应测试，确定高温形状记忆合金的最优工艺。
本发明通过该种工艺设计优化方法，实现了高相变温度和优异形状记忆性能的CuAlNi高温形状记忆合金4D打印制备的快速高效工艺优化。
2、相较于NiTi合金，Cu基形状记忆合金具有更高的相变温度和可加工性，通过选区激光熔化实现Cu基形状记忆合金的4D打印制造有望解决高脆性的问题。选区激光熔化的传统工艺优化方式在4D打印制造中变成分优化具有高成本，效率低等一系列问题。预合金化制造粉末成本较高且单炉只能生产单种成分的合金粉末，同时出粉量不高，严重限制4D打印制造的发展。
同时传统基于致密度和激光能量密度的工艺优化方法，不仅效率低，对相同能量密度的极端工艺参数组合导致低密度也缺乏说服力，必须结合状记忆合金使用所需要的必要指标--形状记忆性能进行评价，才可以实现工艺优化的科学合理分析。本发明通过一种基于有限元分析与实际结合的工艺设计方法，科学快速高效的确定最优工艺优化参数区间，再辅以相变温度和形状记忆效应测试，成功实现了大参数范围的CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化，对解决4D打印领域工艺优化成本高，效率较低的发展限制问题具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为4D打印成型原始粉末(a和b)与成型试样(c)；
图2为小参数范围CuAlNi合金的可打印性；
图3为小参数区间4D打印制造的Cu-13.2Al-3.5Ni的致密度和激光能量密度关系及缺陷分析。
具体实施方式
本发明提供了一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，包括如下步骤：
(1)制备CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末；
(2)对步骤(1)得到的预合金化粉末进行小参数范围的选区激光熔化块体成型，分析熔池尺寸和可打印性；
(3)通过有限元分析，得到大范围不同工艺参数组合下的熔池形貌尺寸理论结果；
(4)基于实际熔池尺寸对有限元模拟结果进行优化和计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的理论可打印性能分布图及最优工艺参数组合区间；
(5)针对大参数范围可打印性预测结果，进行优化工艺参数区间的打印性验证和相变温度和形状记忆效应测试，实现基于CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化。
在本发明中，步骤(1)所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末各组分质量配比为Cu：Al：Ni＝80～90：10～14：2～4；优选为82～88：11～13.2：3.5；进一步优选为83.3：12：3.5；更优选为83.3：13.2：3.5。
在本发明中，步骤(1)通过旋转电极雾化制备所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末。
在本发明中，所述步骤(2)采用ZEISS AX10光学显微镜和ST-100E全自动电子密度计进行可打印性分析。
在本发明中，所述步骤(2)采用RENISHAW-AM400激光选区熔化快速成型设备进行选区激光熔化，选择线间距、曝光时间、激光功率三个变量参数作为小参数范围打印试验参数，进行实验制备试样。
在本发明中，所述步骤(3)中使用Abaqus 6.14进行有限元分析。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
通过旋转电极雾化得到83.3Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金预合金化粉末；之后对原始粉末进行选区激光熔化块体成型，对高温形状记忆合金的粉末进行选区激光熔化小范围参数预实验，得到小参数范围的高温形状记忆合金的可打印性；对大参数范围的不同工艺参数进行有限元分析，得到熔池尺寸的模拟结果；通过实际熔池尺寸，对模拟结果进行修正和可打印性边界条件计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的可打印性模拟计算结果；选择部分工艺参数进行模拟可打印性的验证性实验，辅以相变温度和形状记忆效应测试，确定高温形状记忆合金的最优工艺。
一、选区激光融化
将混合好的粉末收集在粉末缸内，对基板进行清理、喷砂、去除表面氧化层之后进行安装，最后完成刮刀的更换安装。打开抽气装置，充入氩气保护，使设备内氧气含量保证在100ppm以下，并对Cu基板进行预热到170℃。使用QuantAM软件完成5*5*5mm3正方体模型的建立及工艺参数的设置，并将模型数据导入设备，准备条件就绪后设备***自动开始试样制造。本实验选择激光线间距、曝光时间、激光功率三个变量参数作为正交试验因素，进行实验制备试样。
二、致密度分析
将线切割后的试样放入无水乙醇中清洗去除表面粘附的杂质后进行干燥，将试样放在测量台上称重，待示数稳定后按键记录数据，再将试样放在水槽里的吊篮中称重，待示数稳定后按键直接得到结果，记录数据。每个试样保证至少三次测量，取平均值以减小误差。
三、可打印性分析
可打印测试分为三方面：成形质量分析，缺陷分析，单熔道分析；
成形质量直接在打印过程进行，对不同工艺参数的试样逐层制造过程中翘曲，过热等成形质量问题进行分析；
缺陷分析使用ZEISS AX10光学显微镜，对打磨抛光试样的表面孔隙率和孔隙形貌进行分析，对打印缺陷进行归类判断；
单熔道分析中，如果试样腐蚀后熔池形貌清晰可见，可直接通过块体成型的最后打印层进行单道熔池的熔深熔宽等信息收集；如果熔池形貌无法判断，须直接进行额外的单熔道打印测试，对不同工艺参数的熔深，熔宽进行统计。
四、有限元分析
有限元分析使用Abaqus 6.14软件对不同工艺参数在打印过程中的单熔道熔池尺寸参数进行模拟表征。综合考虑模拟精度和效率，划分不均匀模型网格，使用二维热分析单元DC2D4/DC2D3，温度场计算选择Gauss面热源模型，考虑辐射换热和对流换热。
五、模拟可打印性计算
基于大参数范围的熔池尺寸信息，进行CuAlNi形状记忆合金的可打印性预测，其缺陷边界条件如下：
未熔合：
匙孔：
球化：
其中，D为熔池的深度，W为熔池的宽度，t为层厚，L为熔池的长度。
六.工艺设计优化的验证
包括两个方面：相变温度测试和形状记忆回复率测试
相变温度测试使用STA449f3综合热分析仪对试样缓慢升温和降温过程中的吸热和放热行为进行表征。取尺寸为1.5*1.5*1.5mm3的测试试样置于仪器专用坩埚中进行测试，测试氛围为氩气环境，试样从100℃缓慢升温至700℃再降温至100℃，升温速率及降温速率均为10℃/min。
形状记忆回复率测试使用力试微机控制电子万能试验机LD26.105对拉伸试样进行加载卸载试验后，再测量高温恢复后的可恢复应变。拉伸试验依据ASTM E8/E8M-13《StandardTestMethods for Tension Testing of Metallic Materials》，拉伸与卸载速率均为0.375mm/min；加热温度为马氏体逆相变终了温度以上50℃。
七、实验结果分析
图1为83.3Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金粉末与选区激光熔化打印成型效果；旋转电极雾化制造的粉末球形度良好，面扫结果显示粉末的元素分布均匀，符合选区激光熔化使用的粉末标准。成型效果图显示，Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金粉末的可打印性较差，打印过程中试样翘曲严重，严重影响试样成型；高能量密度的试样在打印过程中由于试样整体过热，熔池塌陷导致成型偏离设计形状，严重影响成型精度；45个试样中，表观成型良好试样仅有5个。
图2为建立的83.3Cu-13.2Al-3.5Ni高温形状记忆合金的小参数范围的可打印性。可以看到试样在高扫描速度下发生严重翘曲，难以成型；在低扫描速度，高功率情况下，出现匙孔现象，打印质量难以保证；仅在一定功率和扫描速度的组合区间内能成型良好。结合致密度能量密度曲线进一步分析可知，仅通过能量密度难以完整反应试样的可打印性，最优工艺参数是不同工艺参数组合的部分区间，在该区间内成型具有较高质量。
从图3看出，试样的致密度随着能量密度的增加出现先增加后减小的趋势，试样在一定的能量密度区间可以实现高密度打印。但是在该区间内，极端的参数组合也会出现致密度下降的情况，仅使用能量密度作为工艺参数优化的指标缺乏足够的说服力。低能量密度下，致密度的下降的主要原因是未熔合；高能量密度下试样致密度下降则是因为匙孔现象，过高的能量密度导致熔池内的气体难以排出而导致气孔生成。
传统基于致密度和激光能量密度的工艺优化方法，不仅效率低，对相同能量密度的极端工艺参数组合导致低密度也缺乏说服力。本文使用一种基于有限元分析与实际结合的工艺设计方法，通过小参数范围的形状记忆合金打印结果指导有限元分析，实现大参数范围的形状记忆合金的可打印性预测，确定出最优工艺参数区间。再辅以相变温度和形状记忆效应测试，成功实现了大参数范围的CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化，对解决4D打印领域工艺优化成本高，效率较低的发展限制问题具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末；
(2)对步骤(1)得到的预合金化粉末进行小参数范围的选区激光熔化块体成型，分析熔池尺寸和可打印性；
(3)通过有限元分析，得到大范围不同工艺参数组合下的熔池形貌尺寸理论结果；
(4)基于实际熔池尺寸对有限元模拟结果进行优化和计算，得到大参数范围的高温形状记忆合金的理论可打印性能分布图及最优工艺参数组合区间；
(5)针对大参数范围可打印性预测结果，进行优化工艺参数区间的打印性验证和相变温度和形状记忆效应测试，实现基于CuAlNi高温形状记忆合金的4D打印制备的工艺优化。
2.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于：步骤(1)所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末各组分质量配比为Cu：Al：Ni＝80～90：10～14：2～4。
3.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于：步骤(1)通过旋转电极雾化制备所述CuAlNi高温形状记忆合金的预合金化粉末。
4.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于：所述步骤(2)采用ZEISSAX10光学显微镜和ST-100E全自动电子密度计进行可打印性分析。
5.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于：所述步骤(2)采用RENISHAW-AM400激光选区熔化快速成型设备进行选区激光熔化，选择线间距、曝光时间、激光功率三个变量参数作为小参数范围打印试验参数，进行实验制备试样。
6.一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用Abaqus6.14进行有限元分析。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210024668.4A CN114535600B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210024668.4A CN114535600B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114535600A true CN114535600A (zh) | 2022-05-27 |
| CN114535600B CN114535600B (zh) | 2024-04-19 |
Family
ID=81669657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210024668.4A Active CN114535600B (zh) | 2022-01-11 | 2022-01-11 | 一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114535600B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118080882A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-05-28 | 常州铸远智造科技有限公司 | 一种实现熔池内部温度场实时监测的方法及*** |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105033255A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-11 | 南京航空航天大学 | 一种利用激光3d打印技术直接获得马氏体模具钢的方法 |
| CN107330137A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-11-07 | 武汉工程大学 | 一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法 |
| CN108197384A (zh) * | 2017-12-30 | 2018-06-22 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 粉末激光3d打印成型工艺的参数优化方法 |
| CN108788154A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 华中科技大学 | 一种具有大变形功能的智能结构的4d打印方法及其产品 |
| CN110788340A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-14 | 中南大学 | 一种4d打印铜基形状记忆合金的制备方法及4d打印铜基形状记忆合金 |
| CN111299584A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-06-19 | 吉林大学 | 基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法 |
| CN111842888A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-30 | 华中科技大学 | 一种镍钛基三元形状记忆合金的4d打印方法 |
| US20210146630A1 (en) * | 2019-11-18 | 2021-05-20 | 3D Medlab | Process for the production of a 4d medical device and 4d medical device |
| CN113102754A (zh) * | 2019-12-24 | 2021-07-13 | 天津大学 | 一种高熵合金激光选区熔化工艺参数优化方法 |
| CN113139314A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-20 | 四川大学 | 一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法 |
| CN113145864A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-07-23 | 华南理工大学 | 一种钛镍形状记忆合金的4d打印装置及其构件调控方法 |
-
2022
- 2022-01-11 CN CN202210024668.4A patent/CN114535600B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105033255A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-11 | 南京航空航天大学 | 一种利用激光3d打印技术直接获得马氏体模具钢的方法 |
| CN107330137A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-11-07 | 武汉工程大学 | 一种金属材料切削本构模型参数的辨识方法 |
| CN108197384A (zh) * | 2017-12-30 | 2018-06-22 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 粉末激光3d打印成型工艺的参数优化方法 |
| CN108788154A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-11-13 | 华中科技大学 | 一种具有大变形功能的智能结构的4d打印方法及其产品 |
| CN110788340A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-02-14 | 中南大学 | 一种4d打印铜基形状记忆合金的制备方法及4d打印铜基形状记忆合金 |
| US20210146630A1 (en) * | 2019-11-18 | 2021-05-20 | 3D Medlab | Process for the production of a 4d medical device and 4d medical device |
| CN111299584A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-06-19 | 吉林大学 | 基于非晶合金的仿生抗冲击多层复合梯度材料制备方法 |
| CN113102754A (zh) * | 2019-12-24 | 2021-07-13 | 天津大学 | 一种高熵合金激光选区熔化工艺参数优化方法 |
| CN111842888A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-30 | 华中科技大学 | 一种镍钛基三元形状记忆合金的4d打印方法 |
| CN113145864A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-07-23 | 华南理工大学 | 一种钛镍形状记忆合金的4d打印装置及其构件调控方法 |
| CN113139314A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-20 | 四川大学 | 一种用于激光增材制造工艺的热源数值模拟方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 周馨我: "《3D打印技术及应用》", 北京理工大学出版社, pages: 364 - 367 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118080882A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-05-28 | 常州铸远智造科技有限公司 | 一种实现熔池内部温度场实时监测的方法及*** |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114535600B (zh) | 2024-04-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Promoppatum et al. | Numerical modeling and experimental validation of thermal history and microstructure for additive manufacturing of an Inconel 718 product | |
| US20220033946A1 (en) | Composition design optimization method of aluminum alloy for selective laser melting | |
| CN105033255A (zh) | 一种利用激光3d打印技术直接获得马氏体模具钢的方法 | |
| CN108555296A (zh) | 一种k465合金粉末的增材制造方法 | |
| CN110976830B (zh) | 一种铝合金换挡毂铸造缺陷的控制方法 | |
| CN110263418B (zh) | 一种体心立方合金微观偏析数值预测方法 | |
| CN105973664A (zh) | 凝固样品高通量制备方法 | |
| CN114535600B (zh) | 一种CuAlNi记忆合金4D打印工艺优化方法 | |
| CN107586942B (zh) | 一种基于多元回归分析的铸钢件热处理工艺的设计方法 | |
| CN113136551A (zh) | 一种Nb-Si基合金抗氧化成分快速筛选的高通量方法 | |
| Tan et al. | Solidification Effect on the Microstructure and Mechanism of Laser‐Solid‐Forming‐Produced Flame‐Resistant Ti–35V–15Cr Alloy | |
| CN116662713A (zh) | 一种基于熔池状态划分的选区激光熔化熔池尺寸预测方法 | |
| CN114990411B (zh) | 一种高铜含量的3d打印镍钛铜合金及其制备方法 | |
| CN114101703A (zh) | 一种基于选区激光熔化的TiZrNb高温形状记忆合金的4D打印优化方法 | |
| Guo et al. | [Retracted] Mo‐Si‐B Alloy Formed by Optional Laser Melting Process | |
| Dezfoli et al. | Investigation into microstructure and element segregation of Inconel 713LC during SLM processing using modified cellular automaton model | |
| CN112964745B (zh) | 一种放电等离子烧结制备非晶合金内部温度场的标定方法 | |
| US20230234132A1 (en) | Simulation system for selecting an alloy, and a production process for a workpiece to be produced having amorphous properties | |
| CN113466322B (zh) | 一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法 | |
| CN118228538A (zh) | 一种基于高通量实验的激光增材制造合金成分设计方法 | |
| CN116008148A (zh) | 一种镍基粉末高温合金固溶处理孔隙率的预测方法 | |
| CN115808511A (zh) | 一种确定金属材料的增材制造成形参数的方法 | |
| Polkowska et al. | Characteristics of the Evolution of Carbide Morphology in the Haynes® 230® Alloy as a Result of High Temperature Annealing | |
| CN117236189A (zh) | 一种基于机器学习快速设计l12相强化单晶高熵合金的方法及装置 | |
| CN112304844B (zh) | 一种快速测定单晶高温合金初熔温度的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |