【焦点】记忆合金 l 织构对激光定向能量沉积Ni50.8Ti形状记忆合金超弹性的影响…l 中南大学…

 

column focus

根据百度百科,形状记忆合金(shape memory alloys,SMA)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应(shape memory effect,SME)的由两种以上金属元素所构成的材料。形状记忆合金是形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。迄今为止,人们发现具有形状记忆效应的合金有50多种。 在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

本期,通过聚焦近期国内在记忆合金方面的实践与研究的多个闪光点,3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

valley 多材料

© 3D科学谷白皮书

block 织构对激光定向能量沉积Ni50.8Ti形状记忆合金超弹性的影响

吴慧婷、李瑞迪、康景涛、郑聃

中南大学粉末冶金国家重点实验室

摘要:

NiTi形状记忆合金由于热弹性马氏体相变而表现出优异的超弹性和形状记忆效应,被广泛应用在医疗器械、航空航天等领域。采用激光定向能量沉积工艺制备Ni50.8Ti形状记忆合金,通过室温压缩实验和循环压缩实验分析成形角度对合金超弹性及其稳定性的影响规律,借助X射线衍射分析、电子背散射衍射等表征手段分析不同成形角度合金的微观组织和织构特征,进而深入研究微观组织和织构对Ni50.8Ti形状记忆合金超弹性及其稳定性的影响。

结果表明:采用激光定向能量沉积制备的Ni50.8Ti形状记忆合金由B2奥氏体相组成,基体成分均匀,无开裂现象。与Y轴呈90°的合金在室温下呈现出最佳的超弹性,0°的合金超弹性最差。同时,45°的合金表现出强〈112〉织构,90°的合金表现出强〈110〉织构,强织构合金的超弹性比弱织构(60°)和不利取向(0°)合金的超弹性更好,织构对于Ni50.8Ti形状记忆合金的微观组织和超弹性具有显著的影响。

block NiTi形状记忆合金激光选区熔化成形温度场的数值模拟与试验研究

贺庆1闫俊霞1,2区炳显1,3孟祥伟1

江南大学机械工程学院2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室3. 江苏省特种设备安全监督检验研究院,国家石墨烯产品质量监督检验中心(江苏)

摘要:

激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形过程涉及复杂的热量变化与能量传输,使熔池的温度分布与形貌结构发生变化,从而导致成形件性能受到影响。通过有限元ANSYS软件建立三维瞬态模型,研究激光功率与扫描速度对SLM成形NiTi单层多道热行为的影响。

结果表明,由于扫描过的区域会对未扫描区域预热,导致前后两条扫描轨迹的峰值温度存在差异,且熔池的峰值温度与尺寸会随激光功率的增大或扫描速度的减小而增大;当激光沿不同路径移动时,激光功率相较于扫描速度对熔池的温度梯度影响更大;结合试验可知,随着功率与扫描速度的增大,显微组织更加均匀,但功率过小或者扫描速度过大,会使NiTi合金成形件组织内产生孔隙、杂质相以及裂纹等缺陷。

block 激光选区熔化技术制备NiTi合金的研究进展与应用

汪良、张亮、吴文恒

上海材料研究所上海3D打印材料工程技术研究中心

摘要:

NiTi合金作为一种典型的形状记忆合金,除了具有独特的形状记忆效应,还拥有优异的超弹性、生物相容性和力学性能,广泛应用于医学、机械、微电子等领域。然而,由于该合金延展性过高、加工硬化、低热导等问题,传统的切削方法加工工艺复杂、成本高,限制了其工程化应用。增材制造技术(Additive manufacturing, AM)又称3D打印技术,以其独特的一体化成形的技术优势,有效地改善了传统加工方法存在的问题。对此,国内外学者对激光选区熔化(SLM) 3D打印镍钛合金成形工艺进行了大量研究,并取得了丰硕成果。综述了近年来选区激光熔化镍钛的研究进展,简述了选区激光熔化和热处理工艺与镍钛合金的相变温度、组织结构、力学性能等映射关系,着重分析了SLM工艺参数对镍钛合金超弹性的影响规律,揭示了其影响机制,介绍了激光选区熔化镍钛合金的在医学领域的应用,并对未来NiTi合金的增材制造技术的发展提出了展望。

block SLM NiTi记忆合金bcc点阵结构的吸能特性研究

valley_TPMS

© 3D科学谷白皮书

向政1陈捷1杨琴1沈显峰1霍明政1袁上钦2戴东华3黄姝珂1

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所2. 西北工业大学3. 南京航空航天大学

摘要:

通过选区激光熔化(SLM)技术制备了不同体积分数的NiTi记忆合金bcc点阵结构(基于CAD及基于三周期极小曲面TPMS),分析了失效前的压缩响应,研究了体积分数、单元构型和微观组织对能量吸收的影响。结果表明:NiTi bcc点阵(体积分数5%~25%)在压缩至损伤前具有优秀的比能量吸收(0.45~1.89 J/g),卸载后加热可恢复至92%以上;体积分数及单元构型对NiTi bcc点阵的压缩响应有重要影响;体积分数小于15%时,CAD样品具有更长可压缩应变,比能量吸收更好;体积分数大于15%时,TPMS样品具有更高压缩应力,比能量吸收更好;SLM过程中的阶梯效应导致了点阵支杆的下表面与内部具有不同的材料组织,下表面处熔池条纹更深更宽且晶粒更加粗大;材料异质性导致了相对较差的机械性能,不利于能量吸收;由于受载下应力集中位置及异质比例的不同,该材料异质性对低体积分数的TPMS样品的不利影响更大。

block NiTi形状记忆合金电弧增材制造及成形成性机理研究

Valley航空技术

© 3D科学谷白皮书

柯文超

电子科技大学

摘要:

NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMAs)因其具有出色的超弹性、形状记忆效应和生物兼容性等功能特性,已被广泛应用于航空航天等领域。然而NiTi SMAs传统制备方法及高能束增材制造技术难以满足大尺寸复杂构件制造需求,且工艺过程中易引入杂质或产生气孔缺陷。

基于非熔化极气体保护焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)的电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM),具有加工效率高、成形孔隙率低和构件力学性能好等优点,是一种较为理想的NiTi SMAs制造加工方法。目前国内外采用GTAW-WAAM技术制备NiTi SMAs的工艺方法尚处于起步阶段,成形构件延展性低且不具备超弹性;且基于异质基板增材制造NiTi SMAs冶金结合效果差,难以满足实际应用。

因此,本课题基于GTAW研究了不同熔滴过渡和电流模式下NiTi SMAs WAAM及成形成性机理,制备了延展性高且超弹性性能优异的NiTi SMAs,提升了溶质混合区与异质基板的冶金结合效果,结合动态监测和材料表征试验,建立了相关的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,揭示了熔池动态规律、微观组织演变和溶质扩散机理。

主要研究工作如下:

1.建立了NiTi丝高度(h=0.5-2.0 mm)与熔滴过渡模式的关系,揭示了不同熔滴过渡模式下的增材制造成形成性机理。结果表明,NiTi丝高度h由0.5 mm上升到0.75 mm,熔滴过渡模式从桥接过渡转变为自由过渡;与自由过渡相比,桥接过渡模式沉积层宏观形貌、晶粒尺寸和力学性能均有优化。

2.建立了高效率高精度的熔滴过渡CFDc-CFDi耦合模型,研究不同熔滴过渡模式下的熔池动态特性和微观组织演变规律。结果表明,与自由过渡相比,桥接过渡模式熔池处于准稳态,熔池流动较缓;熔池温度梯度(G)与晶粒生长速率(R)决定了沉积层晶粒分布:熔池底部和顶部分别适合柱状晶和等轴晶生长。

3.采用了基于直流叠加超高频(20 kHz)脉冲电流(简称叠加超高频电流)的NiTi SMAs WAAM方法,结合材料表征和数值模拟结果,揭示了叠加超高频电流下WAAM的细晶强化机理。研究表明,与直流模式相比,叠加超高频电流通过促进熔池振动,破碎并细化了凝固前沿晶粒,实现了细晶强化作用。叠加超高频模式试样在室温下表现出良好的超弹性,且相较直流模式试样,叠加超高频模式试样疲劳性能提升。

4.研究了基于异质TA1钛合金基板的NiTi SMAs WAAM冶金连接及溶质扩散行为,揭示了叠加超高频电流对溶质混合区与基板之间界面结构的强化机理。研究表明,与直流模式相比,叠加超高频电流对熔池的振动作用有助于气泡逃逸、溶质均匀扩散和凝固前沿晶粒细化,提升了溶质混合区与基板的冶金结合效果。

block 镍钛形状记忆合金内固定器械标准的发展现状

聂永胜1张镭2闫鹏伟1宋丽霞1陈大雷2高海艳1王毅博2贺军权2缪祥文2胡亚平3

兰州西脉记忆合金股份有限公司2. 甘肃医疗器械检验检测所3. 甘肃省庆阳市生态环境保护局

摘要:

镍钛形状记忆合金因具有优越的反复使用稳定性、超弹性、低杨氏模量、生物体适应性、耐腐蚀性,被广泛用于制造医疗器械。该研究通过介绍政府相关部门已颁布的与镍钛形状记忆合金内固定器械紧密相关的标准内容,分析标准的特点和不足。结果显示,镍钛合金骨板的标准体系较完善、健全和清晰;对于规范镍钛合金骨科内植入器械的生产、检测、使用和产品质量都具有较高的使用价值,但存在产品标准跟不上产品研发的步伐、标准门槛较低、对产品标准实施力度不够、性能评估不全面和安全性评估不充分等问题。因此,应根据现有工艺技术水平不断提高镍钛形状记忆合金内固定器械标准参数和技术指标,加强行业标准协同制定和人才队伍建设,从而推动镍钛形状记忆合金内固定器械的发展和产品质量的提高。

block 高熵形状记忆合金的研究进展

Valley 高温合金

© 3D科学谷白皮书

王瑞1王镇华1刘海洋1王荫洋2王清1

大连理工大学材料科学与工程学院2. 中国兵器科学研究院宁波分院
摘要:

TiNi形状记忆合金具有优异的形状记忆效应和超弹性,使其广泛应用于航空航天、生物医疗等领域。然而,面对日益增长的在更苛刻环境下服役的需求,传统二元TiNi合金存在着相变温度低、高温环境下功能特性丧失和强度不足等问题,还需要不断优化合金成分和热处理工艺以提升其性能,从而发展出高性能形状记忆合金。TiNi合金的力学性能和功能特性受多种因素的影响,

本课题主要从合金成分的角度重点概述了各合金化元素对合金微观组织、马氏体相变行为、形状记忆效应和超弹性的影响,并结合高熵合金化思想,综述了近年来在TiNi基高熵形状记忆合金领域取得的进展。最后展望了TiNi基形状记忆合金未来的发展方向及应用前景。

block 形状记忆合金研究进展与高熵形状记忆合金

高晓轲1安旭龙2孙文文1

东南大学材料科学与工程学院2. 常州大学材料科学与工程学院

摘要:

形状记忆合金具有形状记忆效应、超弹性、良好的耐蚀性及力学性能等,是一种极具发展潜力和应用价值的功能材料,形状记忆合金自研发之初就受到了人们的广泛关注,目前已在诸多领域得到了广泛应用。系统总结了形状记忆合金的种类、制备方法、主要应用领域和最新的研究成果等,重点综述了目前研究的热点——高熵形状记忆合金的研究进展,并从合金成分、热机械处理、相结构3方面阐明了影响高熵形状记忆合金性能的因素,理清了阻碍形状记忆合金发展的主要因素,分析了高熵形状记忆合金的研究价值,并对形状记忆合金的未来发展方向进行了展望。

 l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏,与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。


白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群:106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

 

 

 

分享:

你可能也喜欢...

发表评论