[发明专利]激光原位制备任意形状铜基形状记忆合金的方法及产品

说明书

本发明属于铜基形状记忆合金制备领域，并具体公开了激光原位制备任意形状铜基形状记忆合金的方法及产品，其将铜基形状记忆合金中各元素的块体按预设的质量比混合后进行真空熔炼得到铸锭，然后以气雾法将铸锭制成平均粒径为20～50μm的粉末，或者在粉末中加入粒径为纳米级的增强相并机械混合以制备复合粉末；在氧含量小于0.1％的惰性气体保护环境下，以粉末或复合粉末为粉末原料利用激光选区熔化增材制造技术制备所需形状的铜基形状记忆合金。本发明具有周期短、成本低、柔性化程度高、冷却速率快的特点，能合成任意形状、成分可调、无偏析和杂质且机械性能和记忆性能优良的铜基形状记忆合金。

技术领域

本发明属于铜基形状记忆合金制备领域，更具体地，涉及激光原位制备任意形状铜基形状记忆合金的方法及产品。

背景技术

铜基形状记忆合金由于其良好的超弹性、双向记忆性能、高阻尼性以及廉价性等，被广泛的应用于民用、工业、军事、航空航天及机械制造等领域。尤其是其较高的相变温度，使得铜基形状记忆合金作为高温应用(如热致动器，热传感器)的优选材料，同时其相变温度对组成的变化敏感，因此可以通过调整合金中元素的比例来满足不同应用环境中的各种温度要求，其良好的可加工性为复杂形状零件的制造提供可行性。

由于铜基形状记忆合金本身的脆性在加工过程中容易引起晶间开裂，其制备工艺以及零件加工备受关注。目前铜基形状记忆合金的制备方法有两种，一种是熔铸法，其是将铜基形状记忆合金中各元素的块体材料，按质量比在真空环境下采用电弧、感应、电子束以及等离子体熔炼制锭，然后通过热或者冷加工的方式达到最终尺寸。但是在熔炼过程中，由于冷却速度较慢，元素的熔点以及比重差别，导致铸锭会发生偏析，冷却速率较慢还会导致脆性的γ₂相析出，降低材料的力学性能。同时铜基形状记忆合金在热机械加工时还会导致晶粒过分长大和产生氧化层，成品率低，生产成本被提高。

另一种是粉末冶金的方法，主要包括普通烧结、自蔓延高温合成、热等静压和火花等离子体烧结等。其步骤为首先将粉末混合，然后用模具压胚，最后用上述方法整体烧结成形。粉末冶金方法能解决部分熔铸法所存在的问题，它克服了成分偏析和晶粒过分长大的问题，能准确控制合金成分，借助模具可成形简单的半成品零件。但是该方法制备工序复杂、周期长、可能会引入杂质。由于粉末冶金过程中烧结温度在各元素熔点以下，属于固态下制备合金，因此粉末间的间隙无法完全消除，获得铜基形状记忆合金的致密度不高，同时冷却速率较慢，晶粒仍然较为粗大，无法抑制脆性的γ₂相析出，机械性能低于传统的熔铸法。由于是整体压胚烧结成形，各个部分的反应速度不一致，导致合成的铜基形状记忆合金成分不均匀。

在零件成形方面，虽然铜基形状记忆合金具有良好的加工性能，但是在制备一些实用化的铜基形状记忆合金零件，如弹簧、管接头、片材等。无论是采用熔铸法还是粉末冶金的方法都必须依赖机械加工或模具才能制备，而且存在能耗大、周期长、成本高等问题。由于原位合成技术是在原料体系内部进行成形，因而具有合成成本低、产物颗粒细小且分布均匀、相表面无污染且成分调控范围大等优点，受到人们的广泛重视。由铜基形状记忆合金的相图可知，马氏体相使得合金具有形状记忆性能以及超弹性。因此铜基形状记忆合金的合金的关键在于防止母相分解生成脆性的γ₂相，保证马氏体相的含量。粉末冶金方法合成铜基形状记忆合金属于原位合成的一种，上述合成方法的最大难点是：难以精确控制各部分反应物的生成以及反应速度，合金内部成分存在显著差别；同时间隙过多，合金致密度不高，机械性能差；另外冷却速度慢，无法抑制脆性的γ₂相析出，对材料性能产生不利影响。因此，要从根本上解决铜基形状记忆合金的合成及后续加工难题就必须探索低成本、高效的任意形状铜基形状记忆合金制备新方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光原位制备任意形状铜基形状记忆合金的方法及该铜基形状记忆合金，