一种镍钛吸能减振的三周期极小曲面点阵结构及制备方法

摘要

本发明涉及一种镍钛吸能减振的三周期极小曲面点阵结构及制备方法，属于增材制造技术领域。使用激光选区熔化设备打印三周期极小曲面点阵结构，逐层交替使用不同工艺参数，分别产生奥氏体相和马氏体相。当构件受到冲击时，会发生应力诱发马氏体相变，奥氏体转变为马氏体，吸收能量，起到缓冲吸能的效果；当构件受到振动时，马氏体变体发生再取向，变体界面间存在摩擦，会消耗机械功以克服界面运动的阻力，抑制振动，表现出阻尼特性。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种镍钛吸能减振的三周期极小曲面点阵结构及制备方法。

背景技术

形状记忆效应是指某些金属材料经过适当的变形后形状回复的特殊性能，即合金在外加应力作用下产生变形，将其加热到一定温度后，该合金会自动回复到原始形状及尺寸。近等原子比成分的镍钛合金具有优异的形状记忆效应，是数十种已知形状记忆合金中性能最好、应用最广泛的一种。除了形状记忆效应，镍钛合金还有着优良的超弹性、高阻尼性能、抗腐蚀性能和耐磨性等。所谓超弹性是指合金在外力作用下发生远大于其弹性极限应变量的变形，在卸载时应变可以自动回复的现象。基于以上优异性能，镍钛合金在航空航天、智能传感等领域有着广阔的应用前景。

随着科技的发展，人们已经不再满足于对地球的探索，未来太空探测及空间资源的争夺必将会成为国际社会争夺利益的焦点，发展软着陆太空探测器、运载器、月球车及航天员座椅缓冲器是未来空天技术发展的关键技术之一。

目前常用的吸能装置虽然可以吸收冲击过程中产生的大量能量，但是不能有效降低冲击后产生的振动；常用的减振结构可以吸收冲击后产生的振动，但是不能有效减少冲击过程中的冲击能，不能起到保护航天员、深空探测器、月球车等的作用。

发明内容

针对目前常用的吸能装置和减振装置常常无法综合于一体的局限，本发明提供了一种兼具吸能和减振功能的镍钛三周期极小曲面(TPMS)点阵结构及其制备方法，使用激光选区熔化技术成形出镍钛三周期极小曲面(TPMS)点阵结构，不同单元层使用不同的打印工艺参数，这样不同单元层的相就有所不同，进而导致力学性能不同。当构件受到冲击载荷时，会发生应力诱发马氏体相变，奥氏体相转变为马氏体相，吸收冲击能量，起到缓冲吸能作用；受到振动时，马氏体变体发生再取向，变体界面间存在摩擦，会消耗机械功以克服界面运动的阻力，抑制振动，表现出阻尼特性。

根据本发明第一方面，提供了一种镍钛吸能减振的三周期极小曲面点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)对三周期极小曲面点阵结构进行建模，得到三维模型；

(2)采用镍钛合金材料，运用激光选区熔化方法，将步骤(1)所述三维模型打印成形，其中三周期极小曲面点阵结构逐层交替使用第一打印参数和第二打印参数进行打印，所述第一打印参数使得打印的构件具有形状记忆效应，所述第二打印参数使得打印的构件具有超弹性的性能。

优选地，所述三周期极小曲面为Gyroid曲面。

优选地，所述三周期极小曲面为Primitive曲面。

优选地，所述三周期极小曲面为Diamond曲面。

优选地，所述第一打印参数为：激光功率300W-350W，激光扫描速度为500mm/s-800mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。

优选地，所述第二打印参数为：激光功率为200W-250W，激光扫描速度为500mm/s-1000mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。

根据本发明另一方面，提供了所述方法制备得到的镍钛吸能减振的三周期极小曲面点阵结构。

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)本发明提供了一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，TPMS点阵结构的曲面满足在约束条件下面积最小且平均曲率为零。因此TPMS点阵结构曲面光滑、曲率半径均匀，在承载时应力分布更均匀，具有更强的疲劳服役性能，能量吸收能力等。使用激光选区熔化设备打印TPMS点阵结构，不同单元层使用不同工艺参数，镍钛形状记忆效应打印参数对应于产生的马氏体相多，镍钛超弹性打印参数对应于产生的奥氏体相多。当构件受到冲击时，会发生应力诱发马氏体相变，奥氏体转变为马氏体，吸收能量，起到缓冲吸能的效果；当构件受到振动时，马氏体变体发生再取向，变体界面间存在摩擦，会消耗机械功以克服界面运动的阻力，抑制振动，表现出阻尼特性。

形状记忆效应是指某些金属材料经适当变形后形状回复的特殊性能。这一现象的简单描述为：合金在外加应力的作用下产生残余变形，将其加热到一定温度后，该合金会自动回复其原始形状及尺寸。超弹性是指形状回复在卸载过程中发生。

(2)本发明通过使用激光选区熔化设备调控工艺参数，使得TPMS点阵结构的奥氏体相变开始温度高于工作温度，马氏体相变开始温度低于工作温度，不同层表现出不同的相，进而表现出不同的力学性能。不同的打印参数导致扫描区域的能量密度不同，由于镍元素的蒸发比钛元素蒸发快，进而导致不同打印参数的粉末中镍元素含量不同，最终相变温度不同，其中镍元素含量越低相变温度越高。

(3)本发明制备得到的TPMS点阵结构曲面光滑、曲率半径均匀，在承载时应力分布更均匀，具有更强的疲劳服役性能，能量吸收能力等。

(4)本发明激光选区熔化技术可以通过调控工艺参数使得TPMS点阵结构不同层的相不同，使得最终结构兼具吸能和减振的功能。

附图说明

图1为本发明实施例的选区激光熔化设备的系统图，其中：

1-扫描振镜；2-激光器；3-激光保护镜；4-工作腔；5-TPMS零件；6-镍钛基板；7-基板固定基底；8-粉末回收缸；9-铺粉辊；10-落粉缸。

图2是本发明实施例1和实施例2中的Gyroid结构示意图。

图3是本发明实施例3中的Diamond结构示意图。

图4是本发明实施例4中Primitive结构示意图。

图5为实施例1中的压缩测试结果图。

图6为实施例3中的压缩测试结果图。

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。

本发明一种镍钛吸能减振的三周期极小曲面结构及其制备方法，所述吸能减振结构为三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)结构；利用3D打印技术在成形腔内打印TPMS结构零件。所述3D打印技术为激光选区熔化技术。所述TPMS结构不同单元层的工艺参数不同，分别产生奥氏体相和马氏体相。

所述工艺参数分别为：镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率300W-350W，激光扫描速度为500mm/s-800mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm；

镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W-250W，激光扫描速度为500mm/s-1000mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。

本发明提供了一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，三周期极小曲面TPMS可以为Gyroid曲面、Primitive曲面或Diamond曲面。

一些实施例中，所述具体结构为TPMS结构中的Gyroid结构。

一些实施例中，本发明所述Gyroid结构尺寸大小为31.6mm×31.6mm×31.6mm，壁厚0.2mm，由5×5×5单元排布。

本发明还提供所述镍钛TPMS点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab软件根据数学公式对Gyroid结构进行建模，得到三维模型，导出为.stl格式文件；所述Gyroid点阵结构是由Gyroid基本单元沿x、y、z轴阵列得到。

(2)利用激光选区熔化设备按照步骤(1)所述三维模型打印成形，其中Gyroid点阵结构的第1、3、5层和第2、4层分别使用形状记忆效应参数和超弹性参数。

本发明选取富镍的NiTi形状记忆合金粉末，成分范围优选为Ni含量为50.2at.％至50.6at.％(原子分数)。

本发明优选所述镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率300W-350W，激光扫描速度为500mm/s-800mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。

本发明优选所述镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W-250W，激光扫描速度为500mm/s-1000mm/s，粉末铺粉层厚为0.02mm-0.06mm，扫描间距为0.1mm-0.2mm。

本发明使用激光选区熔化设备打印Gyroid点阵结构，不同层使用不同工艺参数，分别产生奥氏体相和马氏体相。当构件受到冲击时，会发生应力诱发马氏体相变，奥氏体转变为马氏体，吸收能量，起到缓冲吸能的效果；当构件受到振动时，马氏体变体发生再取向，变体界面间存在摩擦，会消耗机械功以克服界面运动的阻力，抑制振动，表现出阻尼特性。

本发明通过使用激光选区熔化设备调控工艺参数，使得Gyroid点阵结构的奥氏体相变开始温度高于工作温度，马氏体相变开始温度低于工作温度，不同层表现出不同的相，进而表现出不同的力学性能。不同的打印参数导致扫描区域的能量密度不同，由于镍元素的蒸发比钛元素蒸发快，进而导致不同打印参数的粉末中镍元素含量不同，最终相变温度不同，其中镍元素含量越低相变温度越高。

图1为本发明选区激光熔化设备的系统图，具体的制备流程为：

S1：使用酒精擦拭激光保护镜3；

S2：将镍钛粉末装入落粉缸10中，将通过matlab软件导出的三维零件模型.stl格式文件导入到激光选区熔化设备软件操作页面；

S3：将镍钛基板6固定在基板固定基底7上，基板需要事先进行磨平和喷砂处理。通过操作界面控制基板上下移动使得镍钛合金可以均匀的铺平在基板上且厚度约为一个铺粉层厚；

S4：关闭舱门后，向工作腔4内充入惰性保护气体，本例中为氩气，最终使得工作腔内的氧含量低于200ppm，同时对基板进行预热，预热到200℃；

S5：在操作系统中输入工艺参数进行打印。每层零件的打印过程为铺粉辊9在镍钛基板6上铺一层均匀的镍钛粉末，激光器2产生的激光经过扫描振镜1后透过激光保护镜3，在镍钛基板6上聚焦后将粉末融化后凝固，逐层进行，最终形成TPMS零件5。打印结束后，未成型粉末进入粉末回收缸8，打开舱门，取出打印好的零件。

实施例1

一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab软件根据数学公式对Gyroid结构进行建模，得到三维模型，导出为.stl格式文件。

(2)使用激光选区熔化设备按照步骤(1)所述三维模型打印成形，其中Gyroid点阵结构的第1、3、5层和第2、4层分别使用形状记忆效应参数和超弹性参数。

(3)镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率320W，激光扫描速度为600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。

(4)镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。图2是本实施例中的Gyroid结构示意图。

(5)分别对所打印结构进行压缩测试、冲击测试和振动测试。压缩测试结果如图5所示。压缩曲线可以分为三个阶段：第一次塌陷阶段、各种支柱断裂引起的应力波动和致密化阶段。本次实验在致密化阶段未结束前就停止压缩，因此致密化阶段表现不明显。从图5中我们可以看出镍钛TPMS结构相对于其他材料具有较高的弹性模量和屈服应力。

实施例2

一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab软件根据数学公式对Gyroid结构进行建模，得到三维模型，导出为.stl格式文件。

(2)使用激光选区熔化设备按照步骤(1)所述三维模型打印成形，其中Gyroid点阵结构的第1、3、5层和第2、4层分别使用形状记忆效应参数和超弹性参数。

(3)镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率330W，激光扫描速度为600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。

(4)镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。图2是本实施例中的Gyroid结构示意图。

(5)分别对所打印结构进行压缩测试、冲击测试和振动测试。

实施例3

一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab软件根据数学公式对Diamond结构进行建模，得到三维模型，导出为.stl格式文件。

(2)使用激光选区熔化设备按照步骤(1)所述三维模型打印成形，其中Diamond点阵结构的第1、3、5层和第2、4层分别使用形状记忆效应参数和超弹性参数。

(3)镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率320W，激光扫描速度为600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。

(4)镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。图3是本实施例中的Diamond结构示意图。

(5)分别对所打印结构进行压缩测试、冲击测试和振动测试。压缩测试结果如图6所示。压缩曲线可以分为三个阶段：第一次塌陷阶段、各种支柱断裂引起的应力波动和致密化阶段。本次实验在致密化阶段未结束前就停止压缩，因此致密化阶段表现不明显。从图6中我们可以看出镍钛TPMS结构相对于其他材料具有较高的弹性模量和屈服应力。

实施例4

一种镍钛吸能减振的TPMS点阵结构及其制备方法，包括以下步骤：

(1)利用matlab软件根据数学公式对Primitive结构进行建模，得到三维模型，导出为.stl格式文件。

(2)使用激光选区熔化设备按照步骤(1)所述三维模型打印成形，其中Primitive点阵结构的第1、3、5层和第2、4层分别使用形状记忆效应参数和超弹性参数。

(3)镍钛形状记忆效应的打印参数为：激光功率320W，激光扫描速度为600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。

(4)镍钛超弹性的打印参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为800mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，扫描间距为0.15mm。图4是本实施例中Primitive结构示意图。

(5)分别对所打印结构进行压缩测试、冲击测试和振动测试。

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。