【摘 要】
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铜基形状记忆合金（Shape Memory Alloys,SMAs）因其良好的形状记忆性能、超弹性能、广泛的原料来源、低廉的成本而成为智能构件的理想材料。目前,铜基形状记忆合金构件面临着材料制备与成形分离、复杂结构难成形等问题。激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）作为金属增材制造技术的重要代表,利用激光将预置粉床粉末可控熔化实现材料制备与成形一体化,理论上可成形任
【基金项目】
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教育部联合基金“基于4D打印技术的智能变形构件材料结构一体化制造”（项目编号:6141A02033122）；
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铜基形状记忆合金（Shape Memory Alloys,SMAs）因其良好的形状记忆性能、超弹性能、广泛的原料来源、低廉的成本而成为智能构件的理想材料。目前,铜基形状记忆合金构件面临着材料制备与成形分离、复杂结构难成形等问题。激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）作为金属增材制造技术的重要代表,利用激光将预置粉床粉末可控熔化实现材料制备与成形一体化,理论上可成形任意复杂的金属构件。本文从SLM制备与成形CuZnAl形状记忆合金控形控性入手,主要开展了CuZnAl合金成形及微观组织演变规律、CuZnAl合金的优化设计和热循环对CuZnAl组织与性能的影响规律等三个方面的研究。理论成果揭示了合金成形过程中微观缺陷与组织演变规律,发现在SLM成形过程中工艺参数通过影响Zn含量来改变β’马氏体相的含量,进而影响合金的性能。建立了面向SLM工艺特性的CuZnAl合金粉末成分设计理论,解决了SLM成形CuZnAl合金时β’相缺失的问题。阐明了SLM热循环对CuZnAl合金组织与性能的影响规律,并提出了热处理消除热循环影响的方法,实现了合金超弹性性能的提升,为后续SLM成形CuZnAl合金在智能构件方面的应用提供了理论指导。主要研究内容与结论如下:（1）SLM成形CuZnAl合金缺陷形成机理。SLM成形较低含Zn量的CuZnAl合金时,缺陷主要包括孔隙以及元素蒸发。其中,孔隙的形成主要包括三个原因:激光能量输入不足而引起的球化与搭接不足;成形时熔体和粉末飞溅落在熔化道表面引起的铺粉不均;Zn的蒸发以及残留试样中的气体而形成的球形小孔。此外,由于SLM过程中大量的Zn蒸发,使得实际SLM制备的块体中主要是大量的α相和少量的β’相,且随着激光能量密度增加至194.4 J/mm~3,β’相全部消失。（2）激光能量密度对SLM成形CuZnAl合金组织性能的影响。不同激光能量密度导致合金中不同的Zn含量与不同的相组织。Zn含量是决定马氏体能否形成的关键因素。在低能量密度下,由于Zn含量较高,主要是硬脆的β’相。随着激光能量密度的增加,Zn含量降低,β’相逐渐减少而α相逐渐占据主导。从形貌上看,针状马氏体转变为层片状结构而后演化为棒状α相,棒状α相缩短并转变为等轴或椭圆状。维氏硬度从236.8 HV下降至167.6 HV。DSC曲线上吸热、放热峰强也呈现下降的趋势,且出现了两对吸热、放热峰,第一对吸热放、热峰被认为是正常的马氏体可逆相变,而第二对在更高温度下的吸热、放热峰则归咎于受到热循环影响而发生的马氏体稳定化。（3）热循环对SLM成形CuZnAl合金组织性能的影响。受到上层金属打印时热循环的影响,下表面相较于上表面α相增多,β’相减少,在DSC曲线上表现的吸热、放热峰峰强更低。此外,合金经历复杂的热循环使侧表面组织交错重叠,从上往下观察,马氏体条的长度逐渐减短,逐渐朝着层片状的α相演变。且在热循环的作用下部分马氏体条上出现了大量的层错,层错由于破坏了相界面的匹配性,导致马氏体稳定化的发生。（4）热处理对热循环影响的消除作用。通过热处理作用的合金,由于在高温下由热循环过程生成的α相固溶到了母相当中,较未处理过的SLM态合金展现出更高的超弹性应变。此外,随着环境温度从室温增加到100℃再到200℃,合金的超弹性应变先增加后降低,前者是因为合金完全奥氏体化,而后者则是由于在母相时效过程中会发生贝氏体转变,进一步生成α相。合金的超弹性应变在100℃,9%的预应变下达到最高,为2.497%。
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