激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法

摘要

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法，其特征是该微纳粉芯丝材由微纳复合粉芯和铁皮组成，所述的微纳粉芯由质量占整个微纳粉芯丝材14%~33%的微米Mn粉与质量占整个微纳粉芯丝材1%~6%的纳米Si粉构成，铁皮的质量占整个微纳粉芯丝材61%~80%，各组分之和为100%。其制备方法主要包括微纳粉制备、外皮成形及填粉、合口与拉拔成丝。采用本发明所述的FeMnSi微纳粉芯丝材作为激光增材制造用材，具有形状记忆功能损失小、成形精度高等特点，而且避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题。

说明书

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种激光增材制造用材料及其制备方法，具体地说是一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法。

背景技术

激光增材制造技术，是指以激光作为能量源且基于离散-堆积原理并由零件三维数据驱动直接制造零件的一种先进制造技术。然而，激光增材制造用材料的研发目前尚处于初级阶段，能够使用的材料种类相对较少，极大地限制了这一先进制造技术的广泛应用。

Fe基形状记忆合金相较于Ni-Ti、Cu基形状记忆合金开发较晚，但因其成本低、加工性能好、力学性能高等优点已得到广泛应用，其中Fe-Mn-Si系合金是Fe基形状记忆合金的典型代表。如果能够将FeMnSi合金应用到激光增材制造技术领域，可更好地解决一些传统制造技术不易实现的难题。然而，无论是将FeMnSi合金以单质粉体直接混合或是混合后进行机械合金化，还是将FeMnSi合金粉碎制成合金粉，乃至于将FeMnSi合金拉拔制成合金丝，在激光增材制造过程中由于激光能量密度极高，其中的低沸点元素如FeMnSi合金中的Mn等极易烧损；同时，激光增材制造过程中不可避免地存在着堆积后一层材料势必会部分重熔前一层材料的具体现实，造成重熔结晶的FeMnSi合金晶粒粗大等问题，也会增大形状记忆功能损失。综上可见，FeMnSi合金激光增材制造过程中，如何降低其形状记忆功能损失是需要面对的核心关键问题。

粉芯丝材是一种用金属带材包裹填充粉末并拉拔成一定直径的可用于激光增材制造的新型材料，其不仅避免了使用粉材激光增材制造时所存在的材料利用率低等缺点，也避免了使用实心丝材激光增材制造时所需激光能量较高等不足，而且通过优化其中粉芯的成分及结构等还可以对激光增材制造制件的形性进行调控，是一类极具发展潜力和前景的激光增材制造用材。如果以FeMnSi合金中的高沸点的Fe作为外皮制成FeMnSi粉芯丝材，借助高沸点Fe皮的保护作用可望解决其中低沸点元素的烧损问题；同时，在沸点最低的微米Mn粉表面包覆纳米Si粉制备核壳结构微纳复合粉体，一方面Si粉可连同Fe皮对低沸点元素Mn实施双重保护降低其在激光增材制造过程中的烧损，另一方面引入纳米效应通过细化晶粒等增强其形状记忆功能而弥补FeMnSi合金增材制造过程中功能损失；进而，可望获得一种功能低损型FeMnSi合金的激光增材制造用新型材料。

然而，据申请人所知，目前尚未有一种通过合理匹配各组元结构的激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对FeMnSi合金激光增材制造过程中易产生较为严重的形状记忆功能损失的问题，发明一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，其特征是该微纳粉芯丝材由微纳复合粉芯和铁皮组成，所述的微纳粉芯由质量占整个微纳粉芯丝材14%~33%的微米Mn粉与质量占整个微纳粉芯丝材1%~6%的纳米Si粉构成，铁皮的质量占整个微纳粉芯丝材61%~85%，各组分之和为100%。

所述的微纳复合粉芯是以微米Mn粉为核、纳米Si粉为壳的核壳结构微纳复合粉体。

所述的微米Mn粉的粒径为50~75μm。

所述纳米Si粉的粒径为30~80nm。

本发明的技术方案之二是：

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材的制备方法，其特征是它主要包括如下步骤：

（1）将按所需配比称量好微米Mn粉和纳米Si粉并制成微纳复合粉芯；

（2）将裁剪好的纯铁带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳复合粉芯；

（3）将U型槽合口，使微纳复合粉芯包裹在其中得到微纳粉芯丝材；

（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。

所述纳米Si粉制成纳米悬浮液后再与微米粉混合。

所述的微纳复合粉芯是以微米Mn粉为核、纳米Si粉为壳的核壳结构微纳复合粉体。

本发明的有益效果：

（1）本发明创造性地将粉芯丝材应用到激光增材制造领域，避免了目前以粉末作为增材制造材料存在的粉末利用率低等问题，同时也解决了以实心丝材作为增材制造用材所需激光能量较高更易引起功能损失等问题，尤其是以微纳粉作为粉芯使得通过优化其中的纳米组分特性如粒径等即可实现激光增材制造件的形性调控。

（2）本发明所述激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材及其制备方法，合理地利用了合金各成分的物性，将其按比例分别以微米粉、纳米粉与外皮三种不同形式进行组合，其中的纳米组分可细化晶粒进而减弱了增材制造过程不可避免存在重熔而引起的功能损失；同时，由于Si粉与铁皮的双层保护，可很好地抑制熔融过程中Mn的蒸发，从而抑制了形状记忆效应的损失。

（3）本发明创造性地将高沸点铁基形状记忆合金与低沸点芯材进行了有机的结合，实现了制成品形状记忆功能的最大限度保存。

（4）本发明的FeMnSi微纳粉芯丝材作为激光增材制造用材，具有形状记忆功能损失小、成形精度高等特点。

附图说明

图1是本发明所述微纳粉芯丝材的横截面示意图；

图2是本发明所述微纳粉芯丝材制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1~2所示。

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，该粉芯丝材由质量占整个粉芯丝材14%~33%的微米Mn粉与质量占整个粉芯丝材1%~6%的纳米Si粉构成的微纳粉芯和质量占整个粉芯丝材61%~85%的铁皮组成，各组分之和为100%。所述微纳复合粉芯最好是以微米Mn粉为核、纳米Si粉为壳的核壳结构微纳复合粉体。所述微米Mn粉的粒径为50~75μm。所述纳米Si粉的粒径为30~80nm。所述激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材的制备方法，该方法主要包括如下步骤：（1）将按所需配比称量好的微米Mn粉和纳米Si粉制成微纳粉；（2）将裁剪好的纯铁带轧制成U型，再向U型槽中加入步骤1制备的微纳粉；（3）将U型槽合口，使微纳粉包裹在其中；（4）通过丝材拉拔装置，将微纳粉芯丝材拉成直径为0.5~2mm的成品。所述纳米Si粉最好制成纳米悬浮液后再与微米粉混合。

实例一。

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，它由以下步骤制备而成（如图2）：

首先，将5g纳米Si粉在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与25g微米Mn粉一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。

其次，选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铁带70g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口；

第三．并且通过常规拉拔装置将其拉成直径为1.5mm的成品粉芯丝材，得到如图1所示的功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的FeMnSi合金粉、Fe+Mn+Si复合粉、本发明所述FeMnSi粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能如表1所示。

表1 实例中所述分别采用三种材料增材制造试样的形状记忆性能

所采用的材料平均晶粒大小（mm）Mn元素含量100次循环后形状回复率FeMnSi合金粉0.4623.82%39%Fe+Mn+Si复合粉0.3713.53%16%FeMnSi粉芯丝材0.2024.37%51%

实例二。

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，它由以下步骤制备而成（如图2）：

首先，将1g纳米Si粉在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与33g微米Mn粉一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。

其次，选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铁带66g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口；

第三．并且通过常规拉拔装置将其拉成直径为0.5mm的成品粉芯丝材，得到如图1所示的功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的FeMnSi合金粉、Fe+Mn+Si复合粉、本发明所述FeMnSi粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相近似。

实例三。

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，它由以下步骤制备而成（如图2）：

首先，将6g纳米Si粉在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与14g微米Mn粉一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。

其次，选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铁带80g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口；

第三．并且通过常规拉拔装置将其拉成直径为2mm的成品粉芯丝材，得到如图1所示的功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的FeMnSi合金粉、Fe+Mn+Si复合粉、本发明所述FeMnSi粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相近似。

实例四。

一种激光增材制造用功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材，它由以下步骤制备而成（如图2）：

首先，将1g纳米Si粉在乙醇中进行分散制备纳米悬浮液，再与14g微米Mn粉一起放入球磨机中球磨，然后真空干燥获得微纳复合粉。

其次，选用宽度10mm，厚度0.5mm的纯铁带85g，先将其轧成U形，将微纳复合粉加入到U型槽中然后合口；

第三．并且通过常规拉拔装置将其拉成直径为1 mm的成品粉芯丝材，得到如图1所示的功能低损型FeMnSi微纳粉芯丝材。

在相同激光工艺条件下，分别采用成分相同的FeMnSi合金粉、Fe+Mn+Si复合粉、本发明所述FeMnSi粉芯丝材，制备4mm×4mm×12mm的棒材，在相同冷却-形变-加热循环实验条件下它们的形状记忆性能与表1相近似。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。