摘 要

NiTi形状记忆合金凭借其良好的形状记忆效应、超弹性、生物相容性等特性广泛应用于机械工程、生物医学、建筑工程和我们的日常生活中。传统制备NiTi合金的熔炼法在熔炼过程中极易与C、N、O、H等元素和坩埚等发生反应而引入杂质；粉末冶金法在高温条件下烧结时难以避免杂质引入，无法达到获得完全致密、形状复杂的NiTi合金零件。本文选择激光选区熔化的方法成形NiTi合金，进行了单道和块体的试验，确定了最佳工艺参数组合，成形了复杂结构件弹簧，并且对成形的块体进行了物像、微观组织以及形状记忆效应的分析，所得结果对于SLM成形NiTi合金工艺数据库的建立有重要的参考价值。

论文主要研究了SLM成形NiTi合金的最佳工艺参数组合，并且对成形的块体进行了物像、微观组织以及形状记忆效应的分析。

研究结果表明：SLM成形NiTi合金的最佳工艺参数组合为激光功率220W，扫描速度1000mm/s,扫描间距0.12mm,铺粉层厚0.03mm。最优工艺参数组合下成形的NiTi合计块体致密度达到98.8%，物相组成是奥氏体B2相、马氏体B19’相和析出Ti₂Ni,且均具备形状记忆效应的能力，但在室温下表现出一定的脆性。

本文的特色：顺应了国内智能制造业的发展趋势，有望对新兴的4D打印技术领域起到一定的推动作用。

关键词：NiTi合金;激光选区熔化;工艺优化;马氏体相变;

Abstract

NiTi shape memory alloy is widely used in mechanical engineering, biomedicine, construction engineering and our daily life due to its good shape memory effect, superelasticity, biocompatibility and other characteristics. The traditional smelting method for preparing NiTi alloy is easy to react with elements such as C, N, O, H and crucibles to introduce impurities in the smelting process. The powder metallurgy method is difficult to avoid the introduction of impurities when sintering at high temperature, and can not obtain NiTi alloy parts with completely compact and complex shapes. In this paper, NiTi alloy is formed by laser selective melting method, single pass and block experiments are carried out, the best combination of process parameters is determined, spring with complex structure is formed, and the object image, microstructure and shape memory effect of the formed block are analyzed. The obtained results have important reference value for the establishment of SLM NiTi alloy forming process database.

This paper mainly studies the best combination of process parameters for SLM forming NiTi alloy, and analyzes the object image, microstructure and shape memory effect of the formed block.

The results show that the optimum process parameters for SLM forming NiTi alloy are laser power 220W, scanning speed 1000mm/s, scanning spacing 0.12mm, and powder layer thickness 0.03mm. The total bulk density of NiTi formed under the optimal combination of process parameters reaches 98.8%, the phase composition is austenite B2 phase, martensite B19' phase and precipitated Ti₂Ni, and all have the capability of shape memory effect, but show certain brittleness at room temperature.

The characteristics of this article is conforming to the trend of developing intelligent manufacturing industry in China, it is expected to play a certain role in promoting the whole 4D printing technology field.

Key Words：NiTi alloy; Laser selective melting; Process optimization; Martensitic transformation;

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 NiTi合金的形状记忆效应及相变行为 1

1.3 NiTi合金的应用 3

1.3.1航空航天领域中的应用 3

1.3.2汽车工业领域中的应用 3

1.3.3人工智能领域的应用 4

1.3.4生物医疗领域的应用 4

1.4 NiTi形状记忆合金的制备及其研究现状 5

1.4.1传统熔炼法 5

1.4.2 粉末冶金法 5

1.4激光选取熔化成形NiTi合金的研究现状 7

1.5本课题的研究意义及研究目标 8

第2章 试验设备、材料与方法 10

2.1激光选区熔化成形设备 10

2.2试验材料 11

2.3 SLM工艺参数设计 11

2.4 试样分析方法 12

2.4.1物相分析 12

2.4.2 微观组织分析 12

2.4.3相变过程分析 13

第3章 NiTi合金粉末激光选区熔化工艺优化 14

3.1单道扫描试验 14

3.1.1 NiTi粉末单道扫描工艺窗口探索 14

3.1.2工艺参数对单道熔宽的影响 16

3.2 NiTi合金SLM块体成形 18

第4章NiTi合金激光选区熔化成形件的性能分析 22

4.1物相分析 22

4.2微观组织分析 23

4.3形状记忆性能分析 26

第5章 总结与展望 28

5.1本文主要结果 28

5.2研究展望 28

参考文献 29

致谢 33

第1章 绪论

1.1引言

形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种能将热能转化为机械能的具有转换能力的智能材料[^[1]][^[2]]，具有形状记忆效应、生物相容性、超弹性和高阻尼性[^[3]]。自1932年Olander首次在Cu-Cd合金发现形状记忆效应以来，经过多年的研究发展，在众多的SMA中Ni-Ti基SMA凭借其较高的形状恢复能力、良好的生物相容性和超弹性等优点已广泛应用于航空航天、汽车工业、人工智能和生物医疗等多个领域以及我们的日常生活中,受到国内外学者的广泛关注[^[4]][^[5]][^[6]]。

1.2 NiTi合金的形状记忆效应及相变行为

在NiTi合金的大多数应用场合中，最经常利用的就是其具有形状记忆效应的特点，也就是NiTi合金在低温下变形成一种形状，再将其加热到一定的温度时可以恢复为该合金的原始形状的能力，这一过程包括了在低温下变形和在高温下回复的过程。形状记忆合金按照其在高温下回复的结果不同可以分为三类[^[7]]:(1)单程记忆合金。这种合金在低温下发生变形，将其加热后回复为变形前的形状，若将其进行冷却，形状则不会发生改变。(2)双程记忆合金。这种合金在加热后可以回复为变形前的形状，若将其冷却后又恢复为低温变形后的形状。(3)全程记忆合金。这种合金在加热时回复到变形前的形状，若将其冷却后会回复为变形前相反的形状。三类形状记忆合金的变形特征示意图如图1-1所示