本發(fā)明屬于3D打印技術領域，特別涉及一種3D打印用球形鈦鎳形狀記憶合金粉末的制備方法。

背景技術：

鈦鎳形狀記憶合金憑借其特異的形狀記憶效應與超彈性、高阻尼性、高耐腐蝕性、優(yōu)良的生物相容性等特點，成為備受關注的新型功能材料。然而鈦鎳合金的高熔點、高活性及較差的機加工性能差嚴重制約了合金的性能提高和應用推廣。

3D打印作為一種計算機輔助成型的精密制造技術，通過計算模擬、連續(xù)堆積的方式，實現(xiàn)從金屬粉末原材料到復雜結構的近凈成形。該項技術的出現(xiàn)為制備形狀復雜的鈦鎳記憶合金結構件開辟了嶄新的途徑。

其中金屬粉末的球形度越高、成分均勻性越好、雜質元素含量控制在一定范圍內，可獲得優(yōu)異的3D打印性能。目前鈦鎳形狀記憶合金粉末的制備方法主要通過球磨法，其制備出來的合金粉末形狀規(guī)則，合金元素分布不均勻，并且球磨過程中不可避免引入雜質，降低合金粉末品質及后續(xù)使用性能。為了提高粉末球形度和元素分布均勻性，有研究者使用高真空中頻感應熔煉霧化裝置制備鈦鎳合金粉末，但合金液與熔煉坩堝接觸，也會引入雜質。

國內關于鈦鎳合金粉末的專利和文獻較少。一種鈦鎳合金粉末的制造方法，申請?zhí)朇N 94118227，公開了一種利用還原擴散法制備鈦鎳合金粉末的方法，制備出的粉末為非球形，不適合3D打印應用。文章《氣流霧化法制備NiTi形狀記憶合金粉末》刊登于有色金屬粉末及制品，利用氣流霧化法制備NiTi合金粉末，其中金屬液和熔煉坩堝接觸，導致合金污染。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種3D打印用球形鈦鎳形狀記憶合金粉末的制備方法，解決了粉末球形度不高和元素分布不均勻的問題。

一種3D打印用球形鈦鎳形狀記憶合金粉末的制備方法，具體步驟及參數(shù)如下：

1、在真空狀態(tài)或惰性氣體保護狀態(tài)下，采用鈦鎳合金棒作為感應電極，電極棒旋轉向下進入錐形線圈，旋轉速度50-200r/min，下降速度20-150mm/min；

2、在運動過程中棒料尖端在錐形線圈中受到感應加熱作用而逐漸熔化形成熔滴或熔體液流，在重力作用下熔滴或熔體液流直接流入錐形線圈下方霧化器；

3、經(jīng)過高壓氣體作用將熔滴或熔體液流破碎成小液滴，小液滴在飛行過程中，通過自身表面張力球化凝固成金屬粉末。

步驟1中所述的真空狀態(tài)的真空度為10^-3Pa-10Pa，惰性氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或幾種混合氣體；

步驟1中所述的鈦鎳合金棒尖端錐度為60-120°；直徑30-100mm，長度300-1000mm；

步驟2中所述的霧化器為環(huán)縫式或環(huán)孔式結構，噴氣口結構為直向式或拉瓦爾結構；

步驟3中所述的高壓氣體為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或幾種混合氣體；霧化壓力為2-6MPa；

所述制備方法制備的合金粉末為球形或者近球形，球形度為0.80-0.96；

所述制備方法制備的合金粉末相組成為有序BCC相，氧含量為200-700ppm，氮含量為0-100ppm。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、粉末球形度高。由于鈦鎳金屬液處于熔化狀態(tài)，經(jīng)過高壓氣體撞擊，破碎成金屬液滴，液滴在霧化室飛行過程中，在金屬液表面張力作用下球化凝固成金屬粉末，這就保證了金屬粉末球形度，采用此方法制備的粉末球形度達到0.80以上。

2、成分均勻。使用母合金棒料，進行二次局部熔化，保證了合金成分的一致性和均勻性。

3、非金屬夾雜含量低。熔化的金屬液滴不與陶瓷坩堝或陶瓷制品接觸，有效避免了非金屬夾雜物的引入。

附圖說明

圖1為電極感應氣霧化制備鈦鎳合金粉末SEM圖。

圖2為電極感應氣霧化制備鈦鎳合金粉末單個顆粒SEM圖。

圖3為電極感應霧化制備的鈦鎳形狀記憶合金粉末的X射線衍射圖譜。

具體實施方式

實施例1

將鈦鎳合金加工成直徑50mm，長度600mm的電極棒并安裝在送料裝置上，對整個霧化裝置進行抽真空并充入氬氣保護氣；電極棒以140r/min的旋轉速度和80mm/min的下降速度進入下方錐形線圈，棒料尖端在錐形線圈中受到感應加熱作用而逐漸熔化形成熔體液流，在重力作用下熔體液流直接流入錐形線圈下方霧化器，高壓氬氣經(jīng)氣路管道進入環(huán)縫式霧化器，在氣體出口下方與金屬液流發(fā)生交互作用，經(jīng)過高壓氣體作用將液流破碎成小液滴，霧化氣體壓力3.5MPa。液滴在霧化室飛行過程中，通過自身表面張力球化凝固成金屬粉末。

電極感應氣體霧化制備的鈦鎳粉末形貌如圖1所示。可以看出，粉末顆粒形狀呈球形或近球形，顆粒之間基本無粘連且衛(wèi)星顆粒極少。單個粉末顆粒形貌如圖2所示，由于氣霧化過程冷卻速率高，制備出粉末的組織均勻。圖3為電極感應氣霧化制備球形TiNi合金粉末的X射線衍射圖譜，從圖中可以看出，合金粉末均為TiNi相(B2有序相)。這表明電極感應霧化制備的TiNi合金粉末潔凈度高，并且成分均一。經(jīng)氣體含量檢測，15‐53μmTiNi粉末的氧含量為371ppm，氮含量為35ppm。

實施例2

采用直徑30mm，長度1000mm的鈦鎳母合金為電極棒，電極棒以200rpm的旋轉速度和150mm/min的下降速度進入下方錐形線圈，棒料尖端在錐形線圈中受到感應加熱作用而逐漸熔化形成熔體液流，在重力作用下熔體液流直接流入錐形線圈下方霧化器，高壓氬氣經(jīng)氣路管道進入霧化器，在氣體出口下方與金屬液流發(fā)生交互作用，經(jīng)過高壓氣體作用將液流破碎成小液滴，霧化壓力3MPa。液滴在霧化室飛行過程中，通過自身表面張力球化凝固成金屬粉末。

電極感應氣體霧化制備的鈦鎳粉末的顆粒形狀呈球形或近球形，顆粒之間基本無粘連且衛(wèi)星顆粒極少。由于氣霧化過程冷卻速率高，單個粉末顆粒表面組織均勻。X射線衍射圖譜得出合金粉末均為TiNi相(B2有序相)，這表明電極感應霧化制備的TiNi合金粉末潔凈度高，并且成分均一。經(jīng)氣體含量檢測，15‐53μmTiNi粉末的氧含量為349ppm，氮含量為43ppm。

實施例3

采用直徑70，長度400mm的鈦鎳母合金為電極棒，電極棒以50r/min的旋轉速度和40mm/min的下降速度進入下方錐形線圈，棒料尖端在錐形線圈中受到感應加熱作用而逐漸熔化形成熔體液流，在重力作用下熔體液流直接流入錐形線圈下方霧化器，高壓氬氣經(jīng)氣路管道進入霧化器，在氣體出口下方與金屬液流發(fā)生交互作用，經(jīng)過高壓氣體作用將液流破碎成小液滴，霧化壓力4.5MPa。液滴在霧化室飛行過程中，通過自身表面張力球化凝固成金屬粉末。

電極感應氣體霧化制備的鈦鎳粉末的顆粒形狀呈球形或近球形，顆粒之間基本無粘連且衛(wèi)星顆粒極少。由于氣霧化過程冷卻速率高，單個粉末顆粒表面組織均勻。X射線衍射圖譜得出合金粉末均為TiNi相(B2有序相)，這表明電極感應霧化制備的TiNi合金粉末潔凈度高，并且成分均一。經(jīng)氣體含量檢測，15‐53μmTiNi粉末的氧含量為412ppm，氮含量為32ppm。