Processing NiTi Shape Memory Alloy Powder by Material Extrusion (MEX)

Abstract

This research was performed to investigate the direct (powder bed fusion) and predominantly indirect additive manufacturing of NiTi shape memory alloys. During the last decennia, selective laser melting has been the technology of additive manufacturing more studied to improve the quality of NiTi 3Dobjects. Nevertheless, NiTi powder type (elemental or prealloyed) due to process parameters readily undergo chemical and phase modifications, which can induce variations in the properties of the alloy and consequently poor application performance. This research explores the potential usefulness of NiTi and its limitations when processed by one of the most promising indirect additive processes – material extrusion. Whatever the powder selected, different steps must be optimized to avoid secondary phases formation, however in this study, the prealloyed powder used, particularly with other common materials, NiTi2 and Ni, was the primordial selection. The study highlighted the role of NiTi2, which has a melting temperature lower than the temperature of sintering in the liquid phase, in promoting the reaction of NiTi2 with Ni, NiTi2 and NiTi. The reaction mainly contributes to the formation of the brittle phase Ni3Ti, particularly around the boundaries of NiTi and NiTi2 phases and precipitates inside the primary phase, influencing the final properties of the 3Dobject. These intermetallics are similar to those observed in selective laser melting essentially when using elemental powder. Thus, two main targets should be attained in the sintering step associated with the decrease in sintering temperature. One is to reduce production costs, by evaluating the lowest temperature and dwelling time necessary to produce effective sintering, and the other is to add other material to decrease the presence of intermetallics other than NiTi. The study has shown the role of TiH2 when mixed with virgin prealloyed NiTi powder. The non-formation of Ni3Ti is clear for a specific composition. H2 was always used during debinding and sintering as a reductive atmosphere to avoid contamination and the consequent formation of other secondary phases. Other feedstocks with a balancing addition of Ni revealed the priority in Ni3Ti formation, highlighting the role of loose Ni in the virgin powder. Another complementary contribution was the evaluation of NiTi critical powder volume content to process high-quality filaments for material extrusion. A typical 3D filament before (green) and after debinding & sintering were used as a homothetic of a 3Dobject, where the strand (layer) is also characterized as green. This methodology allowed the extensive study of all stages depending on the filament, because is known that 3Dobjects defects can be inherit from filament and/or strand. Finally, a case study highlights the combination of additive manufacturing with the unusual behaviour of NiTi shape memory alloy, which can be a solution for demoulding undercuts in the injection moulds industry.

Este estudo foi realizado para investigar a fabricação aditiva direta (fusão em cama de pó) e predominantemente a fabricação aditiva indireta das ligas de memória de forma NiTi. Durante a última década, a fusão seletiva por laser foi a tecnologia de fabrico aditivo mais estudada na otimização da qualidade de objetos 3D em NiTi. No entanto, seja qual for o tipo de pó de NiTi (elementar ou pré-ligado) devido aos parâmetros do processamento, sofre facilmente modificações químicas e de fase, o que pode causar alterações nas propriedades da liga e consequentemente induzir a um desempenho indesejado durante a aplicação. Esta trabalho de investigação explora a utilidade potencial do NiTi e as suas limitações quando processado por um dos mais promissores processos aditivos indiretos - extrusão de material. Independentemente do pó selecionado, as diferentes etapas do processo devem ser otimizadas para evitar a formação de fases secundárias, porém neste estudo, a seleção primordial do pó pré-ligado foi efetuada com a presença de NiTi2 e Ni na sua composição. O estudo destacou o papel do NiTi2, que apresenta uma temperatura de fusão mais baixa que a temperatura de sinterização durante a fase líquida, na promoção da reação do NiTi2 com Ni, de NiTi2 e de NiTi. A reação contribuiu para a formação de uma nova fase frágil, o Ni3Ti, principalmente em torno dos limites das fases NiTi e NiTi2, mas também com ocorrências no interior da fase primária. Estes intermetálicos são semelhantes aos observados em fusão seletiva por laser principalmente quando é utilizado pó elementar. Desta forma, associado à diminuição da temperatura, dois objetivos principais devem ser atingidos na etapa de sinterização. Sendo o primeiro a redução dos custos de produção, pela avaliação da temperatura mínima e tempo de estágio necessários para produzir uma sinterização eficaz, e o segundo é a adição de outro material de forma a diminuir a presença de intermetálicos além de NiTi. O estudo mostrou também o papel do TiH2 quando misturado com pó pré-ligado virgem de NiTi. A não formação de Ni3Ti é clara para uma composição especifica. O H2 foi sempre utilizado durante o ciclo térmico como atmosfera redutora para evitar contaminação e a consequente formação de outras fases secundárias. Algumas composições com a adição de equilíbrio de Ni revelaram prioridade na formação de Ni3Ti, evidenciando o papel do Ni livre no pó inicial. Outra contribuição complementar foi a avaliação do teor de volume crítico de pó de NiTi no processamento de filamentos de alta qualidade para utilização em extrusão de material. Um filamento 3D típico antes (verde) e depois da remoção do ligante/aditivos e sinterização foi utilizado como homotético de um objeto 3D, onde o fio extrudido (camada) é caracterizado como verde. Esta metodologia permitiu o estudo extensivo de todas as etapas do processo em função do filamento, pois é sabido que os defeitos no objeto 3D podem ser herdados do filamento. Por fim, um caso de estudo destaca a combinação do fabrico aditivo com o comportamento incomum do NiTi, que pode ser uma solução para desmoldar negativos na indústria de moldes para injeção.