摘要: 采用增材制造技术制备记忆合金结构件，实现形状记忆合金和增材制造技术的有机融合，已成为智能材料制造领域研究的一个重点主题。然而，增材制造过程中极易产生元素烧损、晶粒粗大等问题，造成较大的形状记忆功能损失。针对这一问题，本文提出以“高沸... 展开 采用增材制造技术制备记忆合金结构件，实现形状记忆合金和增材制造技术的有机融合，已成为智能材料制造领域研究的一个重点主题。然而，增材制造过程中极易产生元素烧损、晶粒粗大等问题，造成较大的形状记忆功能损失。针对这一问题，本文提出以“高沸点外皮包裹低沸点合金元素粉末”的粉芯丝材，作为增材制造形状记忆合金用材，且通过将粉芯中部分合金元素纳米化，以引入纳米效应等改性作用，进而抑制形状记忆合金增材制造过程中记忆功能损失的研究思路；同时，选择具有价格低廉、记忆效应稳定、强度高等优点的Fe基记忆合金为研究对象，开展基于微纳粉芯丝材的形状记忆合金增材制造相关研究，阐明了Fe基记忆合金粉芯丝材增材制造过程、工艺、组织、性能，并探究微纳粉芯丝材中纳米组分对Fe基记忆合金增材制造记忆功能损失的抑制效果；从而，推动Fe基记忆合金的广泛应用，并丰富和发展增材制造用材，尤其是增材制造用粉芯丝材及其相关理论。 本文完成的主要工作和获得的主要结果如下： （1）分析了Fe基记忆合金单道单层、单道三层电弧增材制造过程中的温度场，以此为依据，确定了电弧增材制造Fe基记忆合金中的元素比例影响程度最小的参数选取，进而获得了电弧增材制造的初步工艺窗口，并研究了单道三层熔融沉积层下的Fe基记忆合金增材制造过程中的温度场变化规律。研究表明，在多次的熔融沉积过程中，前一层已经熔融沉积完成的沉积区域，超过2/3区域出现重熔现象，使易烧损Mn、Si等元素产生二次乃至多次元素烧损；同时，在第三层熔融沉积过程中，各监测点最高温度逼近4000℃，将会进一步加速元素烧损。 （2）研究了Fe基记忆合金粉芯丝材的制备及电弧增材制造工艺。通过对圆管法工艺阐述、扎尖-拉拔一体化拉丝设备研制、粉料填充配比模型计算、拉丝前钢管高温防氧化处理等研究，获得了Fe基记忆合金粉芯丝材制备的全流程工艺方法；同时，采用正交实验优化，以单道三层沉积层的表面光滑和表面平整程度等级μ为评价指标，确定了微纳粉芯丝材增材制造Fe基记忆合金的最佳工艺参数。研究表明，在电流大小I=190A、熔融沉积速度大小V=0.4m/min、层间冷却时间大小T=45s时，合金表面焊道较为平直光滑，试样内部形貌完好，无气孔、空洞、裂纹等缺陷。 （3）考察了四种纳米硅含量掺杂的的粉芯丝材电弧增材制造Fe基记忆合金的铸态、均匀化及固溶组织。研究表明，纳米硅的掺杂打断了铸态组织的生长，铸态特性随着纳米硅掺杂量的增多逐渐消除，均匀化与固溶处理后铸态组织得到全部消除；同时，与常规微米粉粉芯丝材制备下的记忆合金相对比，分别掺杂占Si元素总量10%、30%、50%纳米硅制备出的Fe基记忆合金的组织得到细化，相应地其硬度分别提升了5.22%、11.99%、20.10%；此外，Mn元素的烧损量相比于常规粉芯丝材也要小，其中掺杂30%纳米硅烧损降低了24.17%。 （4）研究了四种纳米硅含量掺杂的粉芯丝材电弧增材制造Fe基记忆合金的形状记忆性能，通过观察形变回复前后的组织，解释了纳米硅掺杂对于形状记忆性能变化的影响，并阐明了纳米硅掺杂对Fe基记忆合金电弧增材制造中形状记忆损失的抑制作用。研究表明，所掺杂的纳米硅对形状记忆性能有不同程度的改善，在掺杂占Si元素总量30%的纳米硅时，其形变回复率提高了244%；纳米硅掺杂对增材制造形状记忆性能损失的抑制作用主要表现为，抑制合金元素烧损、抑制合金强度下降、增加?马氏体数量、抑制不可逆α’马氏体生成四个方面。 收起