具有成分-结构双梯度NiTi基形状记忆合金及其制备方法

具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金及其制备方法
技术领域
1.本发明属于合金技术领域，具体涉及一种具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金及其制备方法。

背景技术：

2.航空航天、生物医疗、智能制造、高端制冷等领域的快速发展对高性能智能材料提出了迫切需求。以niti基合金为代表的形状记忆合金是一类能够对热、力等外场产生响应的先进智能材料，这类合金集感知与驱动于一体，具有良好的形状记忆特性、超弹性及高阻尼等功能特性。
3.针对深空深海探测、国防尖端装备等关键领域，不仅对构件的重量有严格要求，而且工作环境温度变化大，迫切需要轻量化、宽温域功能特性的形状记忆合金构件。当前，激光粉床熔融(laser powder bed fusion,lpbf)技术已经被证明可实现变密度或变构型的梯度点阵结构niti合金，实现构件轻量化的目的。然而，受母相强度和热力学限制，很难在niti合金中实现宽温域的功能特性。众所周知，形状记忆合金的屈服强度随着温度的升高而降低，而应力诱发马氏体相变所需的临界应力遵循clausius-clapeyron关系，在逆相变结束温度af以上随着温度的升高而升高，温度升高时诱发马氏体相变的临界应力很容易超过屈服强度，进而材料发生永久塑性变形，无法产生可逆应力诱发马氏体相变，进而影响合金的工作温度区间。
4.为解决上述问题，通常采用的方法是改变合金的化学成分，如掺杂其他合金元素或改变ni元素含量，因为niti合金的相变温度受成分的强烈影响。但单纯的改变成分只能实现工作窗口的平移，不能实现拓宽。因此，制备具有成分梯度的niti合金是一种新思路，这使得在不同温度下零件的不同位置都能有发生马氏体相变的部分，从而实现宽温域的功能特性。传统的熔铸法只能制备获得成分单一的实体构件，lpbf技术虽然能实现梯度点阵结构，但大多也是使用同一成分的材料。例如，柏龙等人发明的“基于增材制造的变体梯度点阵结构”(专利号：cn 111895015 b)，公布了一种重复层叠并相互连接的多个变体梯度点阵层，并采用工程塑料pa2200为原料。

技术实现要素：

5.本发明针对niti基形状记忆合金轻量化需求和工作温度区间窄的问题，利用增材制造中的激光粉床熔融技术实现了“成分-结构”双梯度niti基形状记忆合金的制备。基于lpbf技术逐层堆积的成形特点，可以实现多种不同梯度结构的精准成形。同时，在具有结构梯度的niti合金零件中引入成分梯度，精准的控制零件中不同结构的化学成分，进而实现合金热弹性马氏体相变的精准调控。因此，本发明在实现niti合金零件轻量化的同时，还拓宽了合金马氏体相变的工作温度区间，能够在宽温域保证连续的功能特性，满足特殊场景的使用需求。
6.具体的技术方案为：
7.具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)成分梯度的设计：
9.niti合金中，掺杂元素为能改变niti合金马氏体相变温度的第三组元；
10.掺杂元素为fe、cu、hf、pt、nb。本发明优选的为fe，fe粉的掺杂量为总质量的0.1wt.％-10wt.％。
11.(2)结构梯度的设计：
12.设置多种结构，包括不同的结构单元类型、不同的结构单元尺寸；赋予不同结构层不同的化学成分，实现“成分-结构”双梯度；
13.本发明优选的，步骤(2)包括三种不同的结构梯度点阵结构：
14.一是相同结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成结构梯度；
15.二是不同的结构单元类型，相同的结构单元尺寸，两种类型的结构在不同层之间相互交叉，沿打印方向形成交叉梯度结构；
16.三是不同的结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成交叉梯度结构；
17.构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm，支柱尺寸为0.05-0.5mm。
18.(3)三维结构建模：
19.梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理；
20.(4)机械混合制备不同成分的掺杂合金粉末：
21.采用不同纯元素含量的掺杂合金，实现成分梯度；通过机械混合二元niti预合金粉和纯元素粉；每一混合批次掺杂纯元素粉的含量均不同；
22.本发明优选的，采用不同fe含量的nitife合金实现成分梯度；
23.将二元niti预合金粉和纯fe粉在三维混料机中混合，混合时转速为13r/min，时间为3h。根据成分设计，每一混合批次fe粉的含量均不同。
24.(5)成形仓的清洁：
25.确保仓内清洁；接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平；
26.(6)装粉和抽真空：
27.完成步骤(5)之后，向粉仓内装入步骤(4)中已混合好的其中一种掺杂合金粉，抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入氩气作为保护气；加热基板，基板的预热温度在100-200℃的范围内；
28.(7)工艺参数的设定：
29.激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种；
30.优选的，对于nitife形状记忆合金，初步选用的工艺参数为激光功率80-200w，扫描速度80-1300mm/s，扫描间距50-100μm，铺粉厚度30-50μm。
31.(8)打印零件：
32.完成步骤(7)之后，根据步骤(3)中设定的切片数据开始自动打印，打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度；根据前期的设计，先在基板上打
印一定高度的构件；
33.(9)更换粉末：
34.当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末；待基板降温至室温后，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(5)的方法清理成形仓；清洁完毕后，按照步骤(6)的方式装入新的粉末，抽真空并通入保护气，新的粉末与之前的粉末成分不同；
35.(10)成分梯度的实现：
36.在上次未完成零件的基础上继续打印，并按照设计的高度以新粉末完成一定高度的打印；此时达到的效果是步骤(8)中已成形的零件是一种化学成分，步骤(9)中待成形部分是另一种化学成分；最后，依次类推，反复进行步骤(8)和步骤(9)的操作，直至零件全部打印完成；
37.(11)打印完成：
38.停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板；利用线切割将打印件从基板上切下，获得的打印件具有“成分-结构”双梯度。
39.本发明在以往结构梯度niti合金的基础上，将成分梯度引入构件，公开了一种具有“成分-结构”双梯度niti基形状记忆合金的制备方法。利用lpbf技术实现构件成分梯度的控制，将成分梯度引入结构梯度，实现轻量化、宽温域功能特性niti基形状记忆合金的设计与制备。
40.本发明的优点如下：
41.(1)lpbf技术可实现多种点阵梯度结构的成形，如渐变点阵梯度、交叉点阵梯度、混合点阵梯度等，不受形状约束；
42.(2)本发明将fe元素作为第三组元掺入niti合金中，不同fe元素的添加量可实现马氏体相变温度的调控；
43.(3)通过lpbf的工艺设置，可以在构件不同的位置赋予不同的化学成分，实现梯度点阵结构热马氏体相变的人为控制。
附图说明
44.图1为本发明lpbf成形普通商用等原子比二元niti合金的马氏体相变温度；
45.图2为本发明lpbf成形成分梯度nitife合金的马氏体相变温度(相变峰变得更宽)；
46.图3为实施例“成分-结构”渐变梯度的nitife形状记忆合金的二维示意图；
47.图4为实施例成分-结构”渐变梯度的nitife形状记忆合金的三维示意图；
48.图5为实施例不同尺寸点阵结构“成分-结构”交叉梯度的nitife形状记忆合金的二维示意图；
49.图6为实施例不同尺寸点阵结构“成分-结构”交叉梯度的nitife形状记忆合金的三维示意图；
50.图7为实施例不同点阵结构“成分-结构”交叉梯度的nitife形状记忆合金的二维示意图；
51.图8为实施例不同点阵结构“成分-结构”交叉梯度的nitife形状记忆合金的三维示意图。
具体实施方式
52.结合实施例说明本发明的具体技术方案。
53.本实施例以具有成分-结构双梯度nitife形状记忆合金的制备方法为例：
54.(1)成分梯度的设计：fe原子的加入可以显著降低niti合金的相变温度。fe粉的掺杂量为0.1wt.％-10wt.％，niti合金的含量为90wt.％-99.9wt.％。因此，通过控制本发明构件中不同位置fe元素的含量，实现成分梯度的构建。需要注意的是，本发明仅以添加fe元素的niti合金为例进行说明。事实上，只要是能改变niti合金马氏体相变温度的第三组元，如cu、hf、pt、nb等元素，都可以应用于本发明的成分梯度设计。
55.(2)结构梯度的设计：本发明设计三种不同的结构梯度点阵结构。一是相同结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成结构梯度；二是不同的结构单元类型，相同的结构单元尺寸，两种类型的结构在不同层之间相互交叉，沿打印方向形成交叉梯度结构；三是不同的结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成交叉梯度结构。构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm，支柱尺寸为0.05-0.5mm。针对上述的不同结构，赋予不同结构层不同的化学成分，实现“成分-结构”双梯度。值得注意的是，本发明只展示了三种结构，事实上基于增材制造点阵结构的使用需求，更多的梯度结构也适用于本发明所给出的设计方法。
56.(3)三维结构建模：梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理。
57.(4)机械混合制备不同成分的nitife合金粉末：本发明采用不同fe含量的nitife合金实现成分梯度。nitife合金的原材料是通过机械混合商业化的等原子比二元niti预合金粉和纯fe粉获得。将二元niti预合金粉和纯fe粉在三维混料机中混合，混合时转速为13r/min，时间为3h。根据成分设计，每一混合批次fe粉的含量均不同，成分范围是0.1wt.％-10wt.％。
58.(5)成形仓的清洁：利用金属吸尘器把出风口处前一次打印过程中残留的冷凝物清理干净，再用毛刷再把仓内剩余的粉收集起来，可下次循环利用。随后用沾有酒精的无尘布擦拭成型仓的内壁和激光振镜，确保仓内清洁。接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平。
59.(6)装粉和抽真空：完成步骤(5)之后，向粉仓内装入步骤(4)中已混合好的其中一种nitife合金粉，开始抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入纯度为99.999％高纯氩气作为保护气。开始加热基板，到达指定温度之后设定参数并开始打印。本发明基板的预热温度在100-200℃的范围内。
60.(7)工艺参数的设定：激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种。基于本发明所述的nitife形状记忆合金，初步选用的工艺参数为激光功率80-200w，扫描速度80-1300mm/s，扫描间距50-100μm，铺粉厚度30-50μm。由于fe元素的掺杂量不同，为保证异种粉体充分混合，针对不同fe含量的混合粉，需要设置不同的工艺参数。
61.(8)打印零件：完成步骤(7)之后，根据步骤(3)中设定的切片数据开始自动打印，打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度。根据前期的设计，先在基板上打印一定高度的构件。
62.(9)更换粉末：当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末。待基板降温至室温后，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(5)的方法清理成形仓。清洁完毕后，按照步骤(6)的方式装入新的粉末，抽真空并通入保护气，新的粉末与之前的粉末成分不同。
63.(10)成分梯度的实现：在上次未完成零件的基础上继续打印，并按照设计的高度以新粉末完成一定高度的打印。此时达到的效果是步骤(8)中已成形的零件是一种化学成分，步骤(9)中待成形部分是另一种化学成分。最后，依次类推，反复进行步骤(8)和步骤(9)的操作，直至零件全部打印完成。
64.(11)打印完成：停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板。利用线切割将打印件从基板上切下。此时获得的打印件具有“成分-结构”双梯度。
65.图1为lpbf成形普通商用等原子比二元niti合金的马氏体相变温度；图2为本发明lpbf成形成分梯度nitife合金的马氏体相变温度，相变峰变得更宽。
66.用实施例对本发明进行进一步的详细说明：
67.实施例1
68.(1)nitife合金的成分：本实施例分别采用niti-1wt.％fe、niti-2wt.％％fe、niti-3wt.％％fe粉为原材料。
69.(2)三维结构建模：本实施例所用梯度结构如图3和图4所示。构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm，支柱尺寸为0.2mm。梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理。
70.(3)机械混合制备不同成分的nitife合金粉末：分别称量niti粉989g，fe粉11g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h，混合成为niti-1wt.％fe粉末；分别称量niti粉979g，fe粉21g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h，混合成为niti-2wt.％fe粉末；分别称量niti粉968g，fe粉32g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h混合成为niti-3wt.％fe粉末；
71.(4)成形仓的清洁：利用金属吸尘器把出风口处前一次打印过程中残留的冷凝物清理干净，再用毛刷再把仓内剩余的粉收集起来，可下次循环利用。随后用沾有酒精的无尘布擦拭成型仓的内壁和激光振镜，确保仓内清洁。接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平。
72.(5)装粉和抽真空：完成步骤(4)之后，向粉仓内装入步骤(3)中混合好的niti-1wt.％fe合金粉，开始抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入纯度为99.999％高纯氩气作为保护气。开始加热基板，到达指定温度之后设定参数并开始打印。
73.(6)工艺参数的设定：激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种。由于fe元素的掺杂量不同，为保证异种粉体充分混
合，针对不同fe含量的混合粉，需要设置不同的工艺参数。其中niti-1wt.％fe的成形工艺参数为激光功率150w，扫描速度700mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm；
74.(7)打印零件：完成步骤(6)之后，根据步骤(2)中设定的切片数据开始自动打印。打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度。根据前期的设计，先在基板上打印一定高度的构件。
75.(8)更换粉末：当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末。待基板降温至室温，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(4)的方法清理成形仓。清洁完毕后，按照步骤(5)的方式装入niti-2wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气。随后，设置新的工艺参数，niti-2wt.％fe的成形工艺参数为激光功率120w，扫描速度500mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。在上次未完成零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
76.(9)再次更换粉末：当再次完成两个点阵层高度的打印后，再次更换粉末，此时装入niti-3wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气。随后，设置新的工艺参数，niti-3wt.％fe的成形工艺参数为激光功率100w，扫描速度400mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。在上次未完成零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
77.(10)“成分-结构”双梯度的实现：此时达到的效果是步骤(7)中打印成形零件的化学成分为niti-1wt.％fe，步骤(8)中成形零件的化学成分为niti-2wt.％fe，步骤(9)中成形零件的化学成分为niti-3wt.％fe。再结合步骤(2)中的模型构建，实现“成分-结构”双梯度的niti基形状记忆合金。
78.(11)打印完成：停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板。利用线切割将打印件从基板上切下。此时获得的打印件具有“成分-结构”双梯度。
79.实施例2(由渐变梯度变为交叉梯度)
80.(1)nitife合金的成分：本实施例分别采用niti-1wt.％fe和niti-3wt.％fe粉为原材料。值得一提的是，本实施例仅用niti-1wt.％fe和niti-3wt.％fe举例说明，实际实施过程中可选用多种不同成分的粉体进行打印。
81.(2)三维结构建模：本实施例所用梯度结构如图5和图6所示。构件采用相同结构类型、不同支柱尺寸的交替点阵结构。构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm。根据结构不同，支柱尺寸分别为0.05mm和0.2mm。梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理。
82.(3)机械混合制备不同成分的nitife合金粉末：分别称量niti粉989g，fe粉11g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h，混合成为niti-1wt.％fe粉末；分别称量niti粉968g，fe粉32g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h混合成为niti-3wt.％fe粉末；
83.(4)成形仓的清洁：利用金属吸尘器把出风口处前一次打印过程中残留的冷凝物清理干净，再用毛刷再把仓内剩余的粉收集起来，可下次循环利用。随后用沾有酒精的无尘布擦拭成型仓的内壁和激光振镜，确保仓内清洁。接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平。
84.(5)装粉和抽真空：完成步骤(4)之后，向粉仓内装入步骤(3)中混合好的niti-1wt.％fe合金粉，开始抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入
纯度为99.999％高纯氩气作为保护气。开始加热基板，到达指定温度之后设定参数并开始打印。
85.(6)工艺参数的设定：激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种。由于fe元素的掺杂量不同，为保证异种粉体充分混合，针对不同fe含量的混合粉，需要设置不同的工艺参数。其中niti-1wt.％fe的成形工艺参数为激光功率150w，扫描速度700mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm；
86.(7)打印零件：完成步骤(6)之后，根据步骤(2)中设定的切片数据开始自动打印，打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度。根据前期的设计，先在基板上打印两个点阵层高度。
87.(8)更换粉末：当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末。待基板降温至室温，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(4)的方法清理成形仓。清洁完毕后，按照步骤(5)的方式装入niti-3wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气。随后，设置新的工艺参数，niti-3wt.％fe的成形工艺参数为激光功率100w，扫描速度400mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。在上次未完成零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
88.(9)再次更换粉末：当再次完成两个点阵层高度的打印后，再次更换粉末，此时重新装入niti-1wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气。随后，设置与步骤(6)中相同的工艺参数，在上次零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
89.(10)“成分-结构”双梯度的实现：此时达到的效果是步骤(7)中打印成形零件的化学成分为niti-1wt.％fe，步骤(8)中成形零件的化学成分为niti-3wt.％fe，此时只完成模型一半的构建。随后重复步骤(7)、(8)、(9)，完成剩余一半零件的打印。最后零件的效果是“成分-结构”交叉梯度的niti基形状记忆合金。
90.(11)打印完成：停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板。利用线切割将打印件从基板上切下。此时获得的打印件具有“成分-结构”双梯度。
91.实施例3(结构和成分与实施例2不同)
92.(1)nitife合金的成分：本实施例分别采用niti、niti-1wt.％fe、niti-2wt.％fe、niti-3wt.％％fe粉为原材料。
93.(2)三维结构建模：本实施例所用梯度结构如图7和图8所示。构件采用不同结构类型、不同支柱尺寸的交替点阵结构。构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm。根据结构不同，支柱尺寸分别为0.05mm和0.2mm。梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理。
94.(3)机械混合制备不同成分的nitife合金粉末：分别称量niti粉989g，fe粉11g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h，混合成为niti-1wt.％fe粉末；分别称量niti粉979g，fe粉21g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h，混合成为niti-2wt.％fe粉末；分别称量niti粉968g，fe粉32g，在三维混料机中以13r/min的转速混合3h混合成为niti-3wt.％fe粉末；
95.(4)成形仓的清洁：利用金属吸尘器把出风口处前一次打印过程中残留的冷凝物清理干净，再用毛刷再把仓内剩余的粉收集起来，可下次循环利用。随后用沾有酒精的无尘
布擦拭成型仓的内壁和激光振镜，确保仓内清洁。接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平。
96.(5)装粉和抽真空：完成步骤(4)之后，向粉仓内装入步骤(3)中混合好的niti合金粉，开始抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入纯度为99.999％高纯氩气作为保护气。开始加热基板，到达指定温度之后设定参数并开始打印。
97.(6)工艺参数的设定：激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种。本实施例设置niti合金的成形工艺参数为激光功率200w，扫描速度1100mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm；
98.(7)打印零件：完成步骤(6)之后，根据步骤(2)中设定的切片数据开始自动打印，打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度。根据前期的设计，先在基板上打印两个点阵层高度。
99.(8)更换粉末：当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末。待基板降温至室温，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(4)的方法清理成形仓。清洁完毕后，按照步骤(5)的方式装入niti-1wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气。随后，设置新的工艺参数，niti-1wt.％fe的成形工艺参数为激光功率150w，扫描速度700mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。在上次未完成零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
100.(9)再次更换粉末：当再次完成两个点阵层高度的打印后，再次更换粉末，此时装入niti-2wt.％fe的粉末，抽真空并通入保护气，设置工艺参数为激光功率120w，扫描速度500mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。在上次零件的基础上继续打印两个点阵层的高度。
101.(10)“成分-结构”双梯度的实现：重复步骤(9)，再次更换niti-3wt.％fe粉末，设置工艺参数为激光功率100w，扫描速度400mm/s，扫描间距80μm，铺粉厚度30μm。此时达到的效果是步骤(7)中打印成形零件的化学成分为niti，步骤(9)中成形零件的化学成分为niti-1wt.％fe，步骤(8)中成形零件的化学成分为niti-2wt.％fe，步骤10中成形零件的化学成分为niti-3wt.％fe。最后零件的效果是“成分-结构”交叉梯度的niti基形状记忆合金。
102.(11)打印完成：停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板。利用线切割将打印件从基板上切下。此时获得的打印件具有“成分-结构”双梯度。

技术特征：

1.具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)成分梯度的设计：niti合金中，掺杂元素为能改变niti合金马氏体相变温度的第三组元；(2)结构梯度的设计：设置多种结构，包括不同的结构单元类型、不同的结构单元尺寸；赋予不同结构层不同的化学成分，实现“成分-结构”双梯度；(3)三维结构建模：梯度结构模型的构建在nx-12软件中进行，建模完成后输出后缀为.stl格式的文件，将其导入materialise-magics软件中进行切片处理；(4)机械混合制备不同成分的掺杂合金粉末：采用不同纯元素含量的掺杂合金，实现成分梯度；通过机械混合二元niti预合金粉和纯元素粉；每一混合批次掺杂纯元素粉的含量均不同；(5)成形仓的清洁：确保仓内清洁；接着放入表面经过喷砂处理镍钛合金基板，用百分表检测基板的四个边角，正负值不超过0.02mm，保证基板水平；(6)装粉和抽真空：完成步骤(5)之后，向粉仓内装入步骤(4)中已混合好的其中一种掺杂合金粉，抽真空，确保成型仓室内的氧含量小于300ppm，最后向成型仓内通入氩气作为保护气；加热基板，到达指定温度之后设定参数；(7)工艺参数的设定：激光粉床熔融工艺可变的工艺参数主要是：激光功率、扫描速度、扫描间距其中的一种或者多种；(8)打印零件：完成步骤(7)之后，根据步骤(3)中设定的切片数据开始自动打印，打印自下而上进行，每完成一层打印，粉末床下降一个铺粉层厚的高度；根据前期的设计，先在基板上打印一定高度的构件；(9)更换粉末：当零件高度达到预设尺寸之后，暂停打印程序，更换新粉末；待基板降温至室温后，打开成形仓门，保证基板和零件不移动，按照步骤(5)的方法清理成形仓；清洁完毕后，按照步骤(6)的方式装入新的粉末，抽真空并通入保护气，新的粉末与之前的粉末成分不同；(10)成分梯度的实现：在上次未完成零件的基础上继续打印，并按照设计的高度以新粉末完成一定高度的打印；此时达到的效果是步骤(8)中已成形的零件是一种化学成分，步骤(9)中待成形部分是另一种化学成分；最后，依次类推，反复进行步骤(8)和步骤(9)的操作，直至零件全部打印完成；(11)打印完成：停止加热基板，待基板温度降温至30℃以下，降低成型室内压力，扫去余粉，取下带有打印件的基板；利用线切割将打印件从基板上切下，获得的打印件具有“成分-结构”双梯
度。2.根据权利要求1所述的具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括三种不同的结构梯度点阵结构：一是相同结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成结构梯度；二是不同的结构单元类型，相同的结构单元尺寸，两种类型的结构在不同层之间相互交叉，沿打印方向形成交叉梯度结构；三是不同的结构单元类型，不同的结构单元尺寸，沿打印方向形成交叉梯度结构；构件的整体尺寸为5mm
×
5mm
×
8mm，每个点阵单胞的尺寸为1mm
×
1mm
×
1mm，支柱尺寸为0.05-0.5mm。3.根据权利要求1所述的具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)掺杂元素为fe、cu、hf、pt、nb。4.根据权利要求1所述的具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)掺杂元素为fe，fe粉的掺杂量为总质量的0.1wt.％-10wt.％。5.根据权利要求4所述的具有成分-结构双梯度掺杂niti形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)采用不同fe含量的nitife合金实现成分梯度；将二元niti预合金粉和纯fe粉在三维混料机中混合，混合时转速为13r/min，时间为3h。根据成分设计，每一混合批次fe粉的含量均不同。6.根据权利要求4所述的具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(6)中基板的预热温度在100-200℃的范围内。7.根据权利要求4所述的具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)工艺参数的设定：对于nitife形状记忆合金，初步选用的工艺参数为激光功率80-200w，扫描速度80-1300mm/s，扫描间距50-100μm，铺粉厚度30-50μm。8.具有成分-结构双梯度niti基形状记忆合金，其特征在于，根据权利要求1到7任一项所述的制备方法所得。

技术总结

本发明针对高性能形状记忆合金所需的轻量化和宽温域功能特性的实际需求，公开了一种具有成分-结构双梯度NiTi基形状记忆合金及其制备方法，以增材制造领域的激光粉床熔融技术为基础，通过设计不同梯度结构的点阵模型，将不同的化学成分赋予不同结构，实现沿打印方向的渐变梯度、交叉梯度和混合梯度等不同方式的构筑。通过本发明得到的成分-结构双梯度NiTi基形状记忆合金，既能够保证结构轻量化的需求，也能够拓宽材料的工作温度区间。也能够拓宽材料的工作温度区间。也能够拓宽材料的工作温度区间。