一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺。

背景技术

近等原子比的镍钛形状记忆合金由于表现出优异的形状记忆效应和超弹性能、良好的生物相容性、耐腐蚀和低弹性模量等特性，在航空航天、微机电系统和生物医学等领域得到广泛应用。

由于镍钛合金的高延展性和加工硬化，导致其可加工性差，易出现刀具磨损严重，表面光洁度差等问题，传统工艺制备出的镍钛合金零件通常形状简单，多为线材、棒材和板材，严重限制了镍钛合金的发展。增材制造技术以CAD数据为基础，通过分层控制将原始材料(粉材、丝材)逐层累加成形，避免了传统加工工艺的困境。

目前研究镍钛合金增材制造的工艺主要集中在选择性激光熔化(SLM)，激光近净成形(LENS)和电弧熔丝增材制造(WAAM)。WAAM以电弧作为热源，通过不断熔化丝材逐层堆积成形，具有设备简单和制造成本低等优势，成形构件尺寸大、致密度高、冶金结合和力学性能良好。

采用电弧熔丝增材制造的镍钛合金存在显微组织的不均匀性和力学性能的各向异性，且析出相的脆化效果较为明显，影响镍钛合金的综合性能。

发明内容

针对现有问题或改进需求，本发明提供了一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，先进行固溶加热再进行时效加热，其目的在于，解决基于冷金属过渡技术电弧熔丝增材制造镍钛合金显微组织的不均匀性和力学性能的各向异性，使析出相形貌均匀化，降低残余应力，提高力学性能及超弹性。

根据本发明的目的，提供了一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将电弧熔丝增材制造得到的镍钛合金在真空或者保护气氛下加热至固溶温度并保温；所述固溶温度的范围为800～950℃，在该固溶温度范围内的保温时间为1～5.5h；然后水冷；

(2)将步骤(1)中得到的镍钛合金在真空或者保护气氛下加热至时效温度并保温；所述时效温度的范围为350～650℃，在该时效温度范围内的保温时间为1～5h；然后水冷或空冷。

优选地，所述电弧熔丝增材制造镍钛合金为基于冷金属过渡技术电弧熔丝增材制造成形的直壁件。

优选地，所述直壁件为单道直壁件。

优选地，所述单道直壁件的层数小于等于15。

优选地，步骤(1)中，所述电弧熔丝增材制造使用的镍钛合金丝材中Ni原子百分比为50.8％～51.3％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明将电弧熔丝增材制造得到的镍钛合金在真空或者保护气氛下加热至固溶温度，通过固溶热处理均匀化增材过程中析出相形貌，降低残余应力和缺陷数量进而改善材料性能；将固溶处理后的镍钛合金在真空或者保护气氛下加热至时效温度，通过时效热处理对析出相进行进一步的调控，优化超弹性能。

(2)本发明提供了一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，通过固溶热处理使材料中分布在晶界处的Ti

(3)本发明中经固溶时效热处理后的电弧熔丝增材制造镍钛合金具有较高的抗拉强度和延伸率的同时还具有较高的应变回复率，体现出良好的超弹性能。

附图说明

图1为本发明对比例1提供的未热处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图2为本发明实施例1提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图3为本发明实施例2提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图4为本发明实施例3提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图5为本发明实施例4提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图6为本发明实施例5提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图7为本发明对比例1提供的未热处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图8为本发明实施例1提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图9为本发明实施例2提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图10为本发明实施例3提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图11为本发明实施例4提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图12为本发明实施例5提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

图13为本发明电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，图13为本发明电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺流程图，包括如下步骤：

S1：固溶热处理：将待处理的镍钛合金在真空或保护性气氛下加热至固溶温度，保温一段时间，水冷至室温；固溶温度为800～950℃，固溶保温时间为1～5.5h；

S2：时效热处理：将固溶处理后的镍钛合金在真空或保护性气氛下加热至时效温度，保温一段时间，冷却至室温；时效温度为350～650℃，时效保温时间为1～5h。

一些实施例中，所述电弧熔丝增材制造镍钛合金丝材Ni原子百分比为50.8％～51.3％。

一些实施例中，所述电弧熔丝增材制造镍钛合金为基于冷金属过渡技术电弧熔丝增材制造成形的单道十五层直壁件。

以下为具体对比例和实施例

对比例1

未热处理基于冷金属过渡技术电弧熔丝增材制造成形的镍钛合金。

图1为本发明对比例1提供的未热处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。

图7为本发明对比例1提供的未热处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的循环拉伸曲线。

实施例1

一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将待处理的电弧熔丝增材制造镍钛合金放置于真空管式炉内，并开启真空泵保持真空状态；

(2)固溶热处理：以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，水冷至室温；

(3)时效热处理：以10℃/min的升温速度加热至450℃，保温1h，空冷至室温。

图2为本发明实施例1提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。由图2可知，与未热处理的镍钛合金相比，析出相形貌由块状，球状，棒状转变为椭球状，短棒状且分布更加均匀。由图8可知，与未热处理的镍钛合金相比，应变回复率由28.94％提升至42.24％，超弹性能提高。

实施例2

一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将待处理的电弧熔丝增材制造镍钛合金放置于真空管式炉内，并开启真空泵保持真空状态；

(2)固溶热处理：以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，水冷至室温；

(3)时效热处理：以10℃/min的升温速度加热至450℃，保温1h，水冷至室温。

图3为本发明实施例2提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。由图3可知，与未热处理的镍钛合金相比，析出相形貌由块状，球状，棒状转变为椭球状，短棒状且分布更加均匀。由图9可知，与未热处理的镍钛合金相比，应变回复率由28.94％提升至40.34％，超弹性能提高。

实施例3

一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将待处理的电弧熔丝增材制造镍钛合金放置于真空管式炉内，并开启真空泵保持真空状态；

(2)固溶热处理：以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，水冷至室温；

(3)时效热处理：以10℃/min的升温速度加热至450℃，保温3h，空冷至室温。

图4为本发明实施例3提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。由图4可知，与未热处理的镍钛合金相比，析出相形貌由块状，球状，棒状转变为椭球状，短棒状且分布更加均匀。由图10可知，与未热处理的镍钛合金相比，应变回复率由28.94％提升至47.68％，超弹性能提高。

实施例4

一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将待处理的电弧熔丝增材制造镍钛合金放置于真空管式炉内，并开启真空泵保持真空状态；

(2)固溶热处理：以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，水冷至室温；

(3)时效热处理：以10℃/min的升温速度加热至550℃，保温1h，空冷至室温。

图5为本发明实施例4提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。由图5可知，与未热处理的镍钛合金相比，析出相形貌由块状，球状，棒状转变为椭球状，短棒状且分布更加均匀。由图11可知，与未热处理的镍钛合金相比，应变回复率由28.94％提升至41.34％，超弹性能提高。

实施例5

一种电弧熔丝增材制造镍钛合金热处理工艺，包括如下步骤：

(1)将待处理的镍电弧熔丝增材制造镍钛合金放置于真空管式炉内，并开启真空泵保持真空状态；

(2)固溶热处理：以10℃/min的升温速度加热至800℃，保温1h，水冷至室温；

(3)时效热处理：以10℃/min的升温速度加热至350℃，保温1h，水冷至室温。

图6为本发明实施例5提供的固溶时效处理电弧熔丝增材制造镍钛合金的柱状晶区显微组织图。由图6可知，与未热处理的镍钛合金相比，析出相形貌由块状，球状，棒状转变为椭球状，短棒状且分布更加均匀。由图12可知，与未热处理的镍钛合金相比，应变回复率由28.94％提升至38.75％，超弹性能提高。

本发明中经处理后电弧熔丝增材制造镍钛合金材料性能如下表所示：

由上表可知本发明中经固溶、时效热处理后的电弧熔丝增材制造镍钛合金具有较高的抗拉强度和延伸率的同时还具有较高的应变回复率，体现出良好的超弹性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。