【摘 要】
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随着4D打印技术的发展,NiTi形状记忆合金的增材制造技术逐渐成为研究热点。以NiTi合金粉末为原材料的激光增材技术常伴随有裂纹、孔隙等冶金缺陷,此外,较高的材料和工艺成本也进一步限制了其应用发展。电弧熔丝增材制造工艺（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）凭借其低工艺成本,高沉积效率的优势为成形复杂的NiTi合金构件提供了新的思路。本文以Ni50.8Ti合金丝
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随着4D打印技术的发展,NiTi形状记忆合金的增材制造技术逐渐成为研究热点。以NiTi合金粉末为原材料的激光增材技术常伴随有裂纹、孔隙等冶金缺陷,此外,较高的材料和工艺成本也进一步限制了其应用发展。电弧熔丝增材制造工艺（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）凭借其低工艺成本,高沉积效率的优势为成形复杂的NiTi合金构件提供了新的思路。本文以Ni50.8Ti合金丝材为原材料,采用冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材制造方式沉积出NiTi合金薄壁件,分析了沉积态薄壁件的微观组织、相组成、相转变、在室温下的力学性能包括显微硬度、拉伸性能、超弹性,并通过固溶后热处理进行性能调控和优化,有望为拓宽NiTi合金的WAAM工艺研究奠定理论基础。具体研究内容与结论如下:（1）CMT电弧增材制造NiTi合金工艺优化。通过采用CMT+P（脉冲）+摆动的焊接模式以及70%Ar+30%He作为保护气体可以获得表面平整度高、熔宽较大、余高较小的熔化道,利于后续的搭接。成形件各沉积层之间有良好的冶金结合,无宏观裂纹和孔隙等缺陷,氧化程度较低。（2）CMT电弧增材制造小尺寸薄壁件工艺研究。微观组织沿着增材方向不均匀,树枝状Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相在下部粗大奥氏体柱状晶区域晶粒内部和晶界处均有析出,椭球状Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相集中在上部细小奥氏体柱状晶区域晶界处。随着温度梯度的降低,顶部为等轴晶。力学性能表现出明显的位置依赖性,由于晶粒细化和析出相强化,在距基板11.5 mm处的性能最优,极限拉伸强度为652.46 MPa,延伸率达到13.66%,经过10次拉伸循环可回复应变为2.39%。（3）CMT电弧增材制造大尺寸薄壁件工艺研究。通过进一步优化工艺参数,薄壁件组织均匀程度提高,细长奥氏体柱状晶沿着增材方向外延生长,直至顶部区域出现等轴晶形貌,Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相在晶界处呈网状分布。由于柱状晶的定向生长,力学性能表现出各向异性。在0°方向拉伸时强度低、塑性高,室温下超弹回复能力强;在90°方向拉伸时强度高、塑性低,室温下超弹回复能力差。对比分析不预热、预热100℃和200℃对组织性能的影响。随着预热温度的升高,薄壁件的粗糙度增大,Ra值从533.58μm升高至700.47μm和843.78μm。由于晶粒粗化,析出相强化作用减弱,力学性能随着预热温度的升高而降低,显微硬度值从268 HV降低至257.62HV和251.79 HV。不预热试样的0°方向塑性最优,室温下延伸率为8.65%,表现出解理断裂特征,10次循环加载后的可回复应变为1.95%。90°方向强度最优,室温下极限拉伸强度为831.72 MPa,屈服强度为460.77 MPa,10次循环加载后的不可回复应变为2.81%。（4）CMT电弧增材制造NiTi合金固溶热处理研究。在800℃/1 h固溶处理时,Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相脆化效果降低,晶粒尺寸由52.43μm降低至15.45μm。在X-Z面[001]择优取向转变为[101]择优取向,可以有效提高塑性。固溶处理后的试样力学性能仍表现出各向异性,0°方向的延伸率由6.6%提高至16.44%,10次拉伸循环之后可回复应变由1.48%提高至1.97%。而在90°方向拉伸时,延伸率由4.9%提高至13.49%,极限拉伸强度由797.13 MPa降低至704.92 MPa,10次循环加载后不可回复应变由3.1%降低至2.78%。
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