CN108746582B - 稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法 - Google Patents
稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法，其特征是该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材54%~56%的微米镍粉与质量占整个粉芯丝材0.5%~1.5%的稀土纳米粉构成的稀土增强微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材42.5%~45.5%的钛皮组成，各组分之和为100%，其制备方法主要包括微纳粉制备、外皮成形及填粉、合口与拉拔成丝。采用本发明所述的NiTi微纳粉芯丝材作为激光增材制造用材，具有形状记忆功能损失小、成形精度高等特点，而且避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，尤其是一种激光增材制造用材料及其制备方法，具体地说是一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法。
背景技术
激光增材制造技术，是指以激光作为能量源且基于离散-堆积原理并由零件三维数据驱动直接制造零件的一种先进制造技术。然而，激光增材制造用材料的研发目前尚处于初级阶段，能够使用的材料种类相对较少，极大地限制了这一先进制造技术的广泛应用。
镍钛形状记忆合金（以下简称NiTi合金），因其特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、高耐腐蚀性及优良的生物相容性等，已在众多领域获得了卓有成效的应用。如果能够将NiTi合金应用到激光增材制造技术领域，可更好地解决一些传统制造技术不易实现的难题。然而，无论是将NiTi合金以单质粉体直接混合或是混合后进行机械合金化，还是将NiTi合金粉碎制成合金粉，乃至于将NiTi合金拉拔制成合金丝，在激光增材制造过程中由于激光能量密度极高，其中的低沸点元素如NiTi合金中的Ni极易烧损；同时，激光增材制造过程中不可避免地存在着堆积后一层材料势必会部分重熔前一层材料的具体现实，造成重熔结晶的NiTi合金晶粒粗大等问题，也会增大形状记忆功能损失。综上可见，NiTi合金激光增材制造过程中，如何降低其形状记忆功能损失是需要面对的核心关键问题。
粉芯丝材是一种用金属带材包裹填充粉末并拉拔成一定直径的可用于激光增材制造的新型材料，其不仅避免了使用粉材激光增材制造时所存在的材料利用率低等缺点，也避免了使用实心丝材激光增材制造时所需激光能量较高等不足，而且通过优化其中粉芯的成分及结构等还可以对激光增材制造制件的形性进行调控，是一类极具发展潜力和前景的激光增材制造用材。如果以NiTi合金中的高沸点Ti作为外皮、Ni作为粉芯制成NiTi粉芯丝材，借助高沸点Ti皮的保护作用可望解决其中低沸点元素的烧损问题；若进一步在其中引入可强化母材、降低层错能等强化形状记忆功能的措施如在粉芯中增加纳米颗粒等，则可望突破NiTi合金激光增材制造过程中形状记忆功能损失大等难题。纳米稀土颗粒，就是一种具有这样功能的改性粉体。如果在粉芯中添加少量纳米稀土颗粒，不仅可以发挥纳米材料的纳米效应，而且还可发挥稀土元素净化熔池、钉扎强化等作用，进而可望获得一种功能低损型NiTi合金的激光增材制造用新型材料。
然而，据申请人所知，目前尚未有一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法可供使用。
发明内容
本发明的目的是针对NiTi合金激光增材制造过程中易产生较为严重的形状记忆功能损失的问题，发明一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及其制备方法。
本发明的技术方案之一是：
一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材，其特征是它主要由稀土增强微纳粉和包裹用钛皮组成，所述的稀土增强微纳粉由质量占整个微纳粉芯丝材54%~56%的微米镍粉与质量占整个微纳粉芯丝材0.5%~1.5%的稀土纳米粉构成，钛皮的质量占整个微纳粉芯丝材42.5%~45.5%，各组分之和为100%。
所述稀土纳米粉为La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种混合，且其既可以是单质也可以是化合物如氧化物。
所述微米镍粉的粒径为50~75μm。
所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。
所述稀土增强微纳粉是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构的微纳复合粉。
本发明的技术方案之一是：
一种所述的微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是它主要包括如下步骤：
（1）将按所需配比称量好的微米镍粉和稀土纳米粉制成稀土增强微纳粉；
（2）将裁剪好的纯钛带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤（1）制备的微纳粉；
（3）将U型槽合口，使稀土增强微纳粉包裹在其中；
（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。
所述稀土纳米粉制成稀土纳米悬浮液后再与微米粉混合。
所述稀土增强微纳粉是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构的微纳复合粉。
本发明的有益效果：
（1）本发明创造性地将粉芯丝材应用到激光增材制造领域，避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题，尤其是以微纳粉作为粉芯使得通过优化其中的纳米组分即可实现激光增材制造件的形性调控。
（2）本发明所述稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及制备方法，以NiTi记忆合金中高沸点Ti作为外皮，借助高沸点Ti皮的保护作用，较好地降低了在激光增材制造过程中其中低沸点元素Ni的烧损，从而抑制了NiTi合金激光增材制造过程的功能损失。
（3）本发明所述稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材及制备方法，不仅可以发挥其中纳米稀土组分的纳米效应，而且还可以发挥稀土净化熔池、钉扎强化等作用，增强了激光增材制造NiTi合金的形状记忆功能。
附图说明
图1是本发明所述微纳粉芯丝材的横截面示意图；
图2是本发明所述微纳粉芯丝材制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
如图1~2所示。
一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材，该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材54%~56%的微米镍粉与质量占整个粉芯丝材0.5%~1.5%的稀土纳米粉构成的稀土增强微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材42.5%~45.5%的钛皮组成，各组分之和为100%。所述稀土纳米粉含有La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种混合，且其既可以是单质也可以是化合物如氧化物。所述微米镍粉的粒径为50~75μm。所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。所述微纳粉芯最好是以微米粉为核、纳米粉为壳的核壳结构微纳复合粉，如图1所示。本发明的稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材的制备方法是：（1）将按所需配比称量好的微米镍粉和稀土纳米粉制成微纳粉；（2）将裁剪好的纯钛带轧制成U型，再向U型槽中加入制备好的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。如图2所示，所述稀土纳米粉最好制成稀土纳米悬浮液后再与微米粉混合。
实例一。
以制备1000g稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材为例，具体步骤如图2所示，按所需配比先制备粒径为65微米的镍粉540g，再将5g纳米氧化铈粉（粒径为30nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得545g稀土增强微纳粉（如图1）。选用宽度10mm，厚度0.3mm的纯钛带455g，先将其轧成U形，将前述稀土增强微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为1.5mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的NiTi合金粉、NiTi实心丝材、本发明所述NiTi微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能如表1所示。
表1 实例中所述分别采用三种材料获得试件的形状记忆性能
| 所采用的材料 | 平均晶粒大小（mm） | Ni元素含量 | 100次循环后形状回复率 |
| NiTi合金粉 | 0.38 | 53.18% | 54% |
| NiTi实心丝材 | 0.57 | 53.27% | 49% |
| NiTi粉芯丝材 | 0.15 | 53.83% | 70% |
实例二。
以制备1000g稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材为例，具体步骤如图2所示，按所需配比先制备粒径为50微米的镍粉560g，再将15g纳米氧化铈粉（粒径为80nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得575g稀土增强微纳粉（如图1）。选用宽度10mm，厚度0.3mm的纯钛带425g，先将其轧成U形，将前述稀土增强微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为0.5mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的NiTi合金粉、NiTi实心丝材、本发明所述NiTi微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。
实例三。
以制备1000g稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材为例，具体步骤如图2所示，按所需配比先制备粒径为75微米的镍粉550g，再将10g纳米氧化铈粉（粒径为50nm）在体积比为1:1的醇水混合溶液中进行分散制备纳米悬浮液，将两者一起放入球磨机中球磨复合获得560g稀土增强微纳粉（如图1）。选用宽度10mm，厚度0.3mm的纯钛带440g，先将其轧成U形，将前述稀土增强微纳粉加入到U型槽中然后合口，并且通过拉拔装置将其拉成直径为2mm的成品粉芯丝材。
在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的NiTi合金粉、NiTi实心丝材、本发明所述NiTi微纳粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相似。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种稀土增强的激光增材制造用NiTi微纳粉芯丝材，其特征是其主要由稀土增强微纳粉和包裹用钛皮组成，所述的稀土增强微纳粉由质量占整个微纳粉芯丝材54%~56%的微米镍粉与质量占整个微纳粉芯丝材0.5%~1.5%的稀土纳米粉构成，钛皮的质量占整个微纳粉芯丝材42.5%~45.5%，各组分之和为100%；所述稀土增强微纳粉是以微米镍粉为核、纳米粉为壳的核壳结构的微纳复合粉。
2.根据权利要求1所述的微纳粉芯丝材，其特征是所述纳米稀土粉含有La，Ce，Pr，Nd中的一种或几种混合，且其为单质或化合物。
3.根据权利要求1所述的微纳粉芯丝材，其特征是所述微米镍粉的粒径为50~75μm。
4.根据权利要求1或2所述的微纳粉芯丝材，其特征是所述稀土纳米粉的粒径为30~80nm。
5.一种权利要求1所述的微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是其主要包括如下步骤：
（1）将按所需配比称量好的微米镍粉和稀土纳米粉制成稀土增强微纳粉；所述稀土增强微纳粉是以微米镍粉为核、纳米粉为壳的核壳结构的微纳复合粉；
（2）将裁剪好的纯钛带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤（1）制备的微纳粉；
（3）将U型槽合口，使稀土增强微纳粉包裹在其中；
（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是所述稀土纳米粉制成稀土纳米悬浮液后再与微米镍粉混合。
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