3D打印NiTi形状记忆合金管的扭转性能研究

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  • 来源:福清新闻

    镍钛合金(NiTi)具有受热或卸载时出现可逆应变,高功率重量比,良好的功能稳定性,重量轻等特性,被应用于医疗、机械、航空航天等多种工程应用中。基于粉末床激光熔化工艺(L-PBF)的增材制造技术,不仅可以制造复杂的几何形状,而且可以调整3D打印金属零件的性能,打印工艺参数和扫描策略显示出对制成零件的微观结构、性能和尺寸精度的显著影响。


    增材制造过程中的杂质吸收会改变零件的微观结构和热机械性能。根据3D科学谷的市场观察,在一项研究中,托莱多大学等机构的研究团队通过选区激光熔化3D打印技术利用富镍的NiTi粉末材料制造了三种不同厚度的镍钛合金管,他们通过这一方式研究3D打印镍钛合金管的扭转性能和微观结构表征。


    来源:Engineering Structures


    3D打印NiTi薄壁管的研究


    与传统驱动系统相比,形状记忆合金主要优点是高工作输出、无噪音运行、大幅降低执行系统的重量/尺寸以及变形大。正因为这些优势,形状记忆合金在旋转驱动领域得到了应用。三十几年来,学者们开展了大量关于应用研究。


    1984年镍钛合金线首次被用于旋转驱动,相对于其他加载模式,镍钛合金线获得的更高功输出,推动了对其他扭转形式(例如镍钛合金管、棒)的进一步探索。此后有学者对等原子比NiTi合金棒的力学性能和形状记忆效应进行了实验和理论研究,并提出了一种用于主动直升机旋翼叶片的旋转驱动器。在20多年的时间里,几项工作致力于开发形状记忆合金扭矩管的应用,例如变体机翼和太阳能收集器。1995年,基于NiTi扭矩管的旋转驱动器被开发出来,用于制造战斗机的小规模自适应机翼,早期设计表明,这些管可以以141 Nm的相应扭矩实现4.5°旋转。


    在更新一些的研究中,学者们对高温形状记忆合金进行了研究。高温NiTiHf合金已成为旋转驱动器的候选材料,与其他高温形状记忆合金相比,高温NiTiHf合金具有高达500°C的高相变温度(奥氏体终点温度,Af),并且具有良好的稳定性和低廉的价格。有学者研究了高温NiTiHf合金扭力管作为旋转驱动器的发展。总之,这些形状记忆合金被用于制造改变航空航天业游戏规则的设备。


    以上谈到的大部分扭力管/杆是通过挤压、锻造等热加工工艺与管成型工艺制造的。增材制造技术是一种替代性技术,不仅可以制造复杂几何形状,例如花键、六角切口端部连接和嵌入式的冷却通道,还可以通过更改工艺参数来定制材料属性。


    选区激光熔化(SLM)是最广泛使用的形状记忆合金增材制造方法。有充分的文献记载,包括激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对3D打印零件的致密度,转变温度、热机械响应和微观结构起着重要作用。也有大量文献记载了SLM 3D打印工艺参数对形状记忆合金的可打印性、微观结构、力学响应、晶格结构以及后处理的影响。


    迄今为止,关于形状记忆合金3D打印的研究多为进行压缩测试,也有少量研究是关于拉伸性能的,但关于增材制造NiTi合金的扭转性能的研究很少。在3D科学谷本期分享的相关研究中,研究团队对SLM 3D打印富镍NiTi合金扭力管的微观结构和热力学性能进行了研究。


    材料与方法


    研究团队应用的材料为微富镍的 Ni50.1Ti49.9。该材料是使用电极感应熔融气体雾化(EIGA)技术制造的,具有非常低的杂质含量,球形形状范围为25 μm至75 μm。通过SLM3D打印机制造外径为5毫米,长度为25毫米,壁厚为三种不同尺寸(0.45毫米,0.5毫米和0.55毫米)的圆柱管。使用无轮廓的双向扫描策略,其中激光以锯齿形移动,然后在激光束旋转90°后处理下一层。


    图1. SLM工艺示意图如图1(a)所示,3D打印NiTi管如图1(C)所示。来源:Engineering Structures


    转变温度(TT)


    3D打印管与粉末的DSC结果如图2所示。测得的粉末和3D打印管的奥氏体终点温度分别为92°C和0°C。由于硬件限制,无法捕获3D打印管的马氏体转变终止点。SLM 3D打印工艺的逐层加工和高冷却速率导致了不均匀的热历史,并且由于沉淀、残余应力和位错的存在而导致了不均匀的微观结构和组成。所有上述因素都会增加相变温度间隔并导致峰加宽。 图2.DSC结(a)粉末(b)3D打印管。


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    SLM过程之后,出现了意想不到的转变,即朝着更低的TT转移。NiTi的成分可能是影响TT的主要因素之一,当镍含量降低时,TT转变为较高的温度,当镍含量增加时,TT转变为较低的温度。


    表1 NiTi粉末和3D打印管的化学成分和杂质含量。来源:Engineering Structures


    当涉及增材制造方法时,影响微观结构和化学成分的工艺参数会显著改变转变温度。SLM方法中主要有两种可能会改变TT的机制:(i)镍蒸发(ii)沉淀物形成。


    微观结构


    图3.粉末和SLM 3D打印管的X射线衍射图。来源:Engineering Structures


    如图3,粉末由DSC结果所预期的在室温下由单相B19′马氏体组成,而3D打印管包含具有第二相Ti 4 Ni 2 O x 氧化物的奥氏体B2基体。XRD测量可确定粉末和抛光样件的次级相。正如在转变温度部分所讨论的,富钛氧化物的形成不仅使钛中的主基体耗尽,而且通过覆盖熔池来抑制镍的损失。因此,在DSC结果中观察到的TT 转变可归因于此效应。


    图4.抛光的SLM 3D打印管横截面SEM图像(a)用第二相装饰的NiTi基体;(b)插图1:沿晶界形成亚微米的富含钛的沉淀物;(c)插图2:EDS光谱 NiTi主基质的高倍放大图像,(d)光谱1-3的元素分析。来源:Engineering Structures


    图5(a)经过抛光和蚀刻的SLM3D打印管的光学显微镜图像,可以测量制造零件的实际尺寸并查看其微观结构。表2列出了用光学显微镜测得的6个打印样件(每种壁厚2个样件)的实际尺寸,3D打印样件与设计文件之间的偏差为0.1 毫米。来源:Engineering Structures


    表2 通过光学显微镜测量的SLM3D打印管的实际尺寸(OD =外径,t =壁厚)。来源:Engineering Structures


    热力学表征


    研究团队使用逐步应变加载曲线评估了纯扭转载荷下预制管的机械性能。在每个步骤中,将管加载到大约0.5%的剪切应变,然后依次进行0.5%的加载步骤直到失效。使用这种方法,可以捕获直至断裂的材料的平稳曲线以及循环行为。


    图6.3D打印样件的逐步循环特性(a)样品T2,(b)样品T1和T3,(c)样品T4的逐步循环行为。来源:Engineering Structures


    图6示出了三种不同的管壁厚,纯扭转下的3D打印管的逐步剪切应力-应变响应。


    循环性能


    图8.(a)加载场景示意图,加载样件T5的循环行为高达(b)175 MPa和(c)200 MPa;(d)在不同上能级应力水平下,样品T5的回复率(实线)和残余应变(虚线);样品T6在(e)175 MPa(e),(f)200 MPa和(g)225 MPa以下加载的循环行为;(h)在不同的上能级应力水平下,样品T6的回复率(实线)和残余应变(虚线)。


    如图8所示循环测试在室温下进行,然后加热至100°C。这些测试主要用于检查应变行为和随后的应变恢复。两个较粗的3D打印管(t = 0.4 毫米和t = 0.45 毫米)已经测试了从零到最大剪切应力的多达10个加卸载循环。


    结论


    结果表明,即使已对SLM3D打印工艺参数进行了优化,使主体部件没有重大缺陷,但对于薄壁管材而言,表面粗糙度对于零件质量也很重要。研究团队具体结论如下:


    扫描策略和高速扫描会影响SLM薄壁管的尺寸。此外,由卫星颗粒形成的NiTi SLM管表面上的尖锐凹谷是易引发微裂纹的位置。


    高温熔化过程中的氧气吸收会导致在晶界上形成富钛沉淀,将主基体移至富镍区域,从而将相变温度降低至90°C。


    3D打印管应变监测显示,应变本地化以30°的角度开始并继续传播直至破裂。


    循环性能在第一个循环中显示出高达1.2%的不可恢复应变,这可能是富钛氧化物沉淀形成的结果。超弹性行为在4个循环后变得稳定,在10个循环后达到2.3%的稳定转变应变。


    表面粗糙度和表面缺陷是SLM 3D打印NiTi薄壁管的挑战。使用具有较低扫描速度的轮廓扫描,利用更细的粉末颗粒并在每一层上执行重熔过程可能是提高所制造零件表面质量的方式。此外,热处理是进一步改善3D打印NiTi合金薄壁管热机械性能的方法。将3D打印NiTi管与具有相同成分和转变温度的传统方式制造的管进行热机械性能比较,也将是下一步研究的重要步骤。


    参考资料:


    Keyvan Safaei et al. Torsional behavior and microstructure characterization of additively manufactured NiTi shape memory alloy tubes.Engineering Structures Volume 226, 1 January 2021, 111383. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111383.


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