CN102120261A - 一种制备钛制品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备钛制品的方法。该方法采用纯钛或钛合金粉末为材料，经过激光烧结制备钛制品。它是以三维设计或逆向重建的三维STL数据模型为基础，转化为SLA二维切片数据作为激光烧结的指令，烧结具有一定粒度的纯钛或钛基合金粉末的方法制成坯件，通过后续热处理和抛光工序制备高精度复杂一体化钛制品。由于本方法结合一体化设计、净成型、高精度等特点，解决了钛合金难加工的难题，节约后续加工成本，成材率高，适合制备复杂结构钛基制品。

Description

一种制备钛制品的方法
技术领域
本发明涉及一种制备钛制品的方法。
背景技术
钛以生物兼容性佳、质量轻、化学性能稳定、机械强度高以及无磁性等特点，一直是医疗器械产品的首选材料，在医疗卫生领域有广泛的应用。纯钛或钛基材料通常采用铸造以及后续多次机加工、热加工和热处理等一系列方法。这种方法一般存在产品内部缺陷多、氧化严重、成品率低等缺点，同时钛本身具有难加工性，由此造成高精度一体化复杂结构钛制品的高成本，也限制了钛产品应用的深度和广度。采用激光烧结纯钛或钛基粉末方法制备精度较高的制品，目前尚无相关公开报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备钛制品的方法，以解决传统钛材料难以加工成结构复杂的精密部件的难题。
本发明采用以下方案：
采用纯钛或钛合金粉末为材料，经过激光烧结制备钛制品。
所述钛合金粉末包含Al元素和V元素。
所述钛合金粉末中，各元素成分比例分别为：Al元素3-7wt%，V元素2-5wt%。
材料的平均颗粒直径为0.5-50微米。
所述激光烧结的工艺为：粉末铺设→激光烧结→再铺粉→再激光烧结→烧结后热处理；烧结的过程采用层层叠加方式；激光烧结在氩气气氛下进行，激光烧结以线扫描烧结的方式进行，激光的光斑控制在10-100微米，线扫描的速度控制在2-8米/秒；烧结完成后，进行退火工艺处理得到钛制品。
所述退火工艺在真空或氩气保护氛围下进行，退火工艺条件为温度500~700°C，保温时间0.5~6小时；真空退火处理时真空度为1X10-3~1X10-6Pa。
首先从钛制品的设计方案出发，钛制品的设计方案可以是CAD辅助设计的三维立体模型，或者是制品首办的三维逆向重建STL模型，并以STL模型为基础获得SLA二维切片数据文档作为激光直接成型的数据指令，激光直接成型系统执行该数据指令，以线扫描的方式，直接烧结纯钛或钛合金粉末而成型，而后进行后续热处理获得钛制品。其具体工艺路线为：铺纯钛或钛合金粉末于基台上→激光烧结→再铺粉→再激光烧结→烧结后热处理。采用纯钛或钛合金粉末为原料，将粉末平铺在激光直接成型设备的基台上；在选择性烧结过程中，激光直接成型系统将三维STL数据分解为系列的SLA切片的二维平面，由底向上每次选择性烧结一个二维平面，每次烧结完成后，就在原有的粉末上重新铺设粉末直至烧结完成；烧结完成后，进行退火处理。其中纯钛或钛合金粉末的平均颗粒直径为0.5-50微米，解构的二维平面层厚为10-80微米，烧结工艺在氩气气氛保护下进行，激光烧结的光斑直径为10-100微米，烧结以线扫描的方式进行，扫描速度控制在2-8米/秒，退火在真空或氩气保护氛围下进行，退火工艺为温度500~700°C，保温时间为0.5~6小时，真空退火处理时真空度为1X10-3~1X10-6Pa，最终得到一体化复杂结构的钛制品，与传统制件相比，具有更高的尺寸精度，且具有高光亮度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.       采用激光烧结工艺制备高精度复杂结构钛制品，由于产品直接从三维模型出发，走数字化直接成型技术路线。与传统铸造相比节省了覆模再铸造的过程，避免了传统钛产品铸造的易氧化、缺陷多的难题，同时提高产品的精度；与传统的机械加工相比，避免了现有技术对难加工钛产品的机加工过程，更容易实现复杂结构的钛产品的制备。
2.       利用数字化激光烧结可以个性化定制用户产品，精度高，具有净成型和产品真实重现等特点，节约原材料和后期的工艺流程，从而降低能耗和成本。
具体实施方式
实施例1
将平均颗粒直径为5微米的纯钛粉末，放在激光烧结设备的平台上，烧结气氛为氩气保护，激光的光斑控制在50微米，线扫描的速度控制在5米/秒，激光烧结的对象解构为层厚30微米的二维平面，粉末铺设层厚对应控制在30微米，进行烧结。随后，将烧结好的纯钛样品，进行真空退火处理，真空度控制在1X10-3~1X10-6Pa，温度为580°C，保温时间为1小时，最终得到高精度复杂结构的纯钛制品。
实施例2
将平均颗粒直径约10微米的Ti-6Al-4V的合金粉末，放在激光烧结设备的平台上，烧结气氛为氩气保护，激光的光斑控制在80微米，线扫描的速度控制在3米/秒，激光烧结的对象解构为层厚40微米的二维平面，粉末铺设层厚对应控制在40微米，进行烧结。随后，将烧结好的Ti-6Al-4V样品，进行气氛保护下的退火工艺，保护气氛为氩气，温度为650°C，保温时间为2小时，最终得到高精度复杂结构的Ti-6Al-4V制品。
实施例3
将平均颗粒直径约0.5微米的Ti-5Al-3V的合金粉末，放在激光烧结设备的平台上，烧结气氛为氩气保护，激光的光斑控制在40微米，线扫描的速度控制在3米/秒，激光烧结的对象解构为层厚20微米的二维平面，粉末铺设层厚对应控制在20微米，进行烧结。随后，将烧结好的Ti-5Al-3V样品，进行气氛保护下的退火工艺，保护气氛为氩气，温度为650°C，保温时间为2小时，最终得到高精度复杂结构的Ti-5Al-3V制品。

Claims (6)

1.一种制备钛制品的方法，其特征在于：采用纯钛或钛合金粉末为材料，经过激光烧结制备钛制品。
2.根据权利要求1所述的制备钛制品的方法，其特征在于： 所述钛合金粉末包含Al元素和V元素。
3.根据权利要求2所述的制备钛制品的方法，其特征在于：所述钛合金粉末中，各元素成分比例分别为：Al元素3-7wt%，V元素2-5wt%。
4.根据权利要求1所述的制备钛制品的方法，其特征在于：材料的平均颗粒直径为0.5-50微米。
5.根据权利要求1所述的制备钛制品的方法，其特征在于：所述激光烧结的工艺为：粉末铺设→激光烧结→再铺粉→再激光烧结→烧结后热处理；烧结的过程采用层层叠加方式；激光烧结在氩气气氛下进行，激光烧结以线扫描烧结的方式进行，激光的光斑控制在10-100微米，线扫描的速度控制在2-8米/秒；烧结完成后，进行退火工艺处理得到钛制品。
6.根据权利要求5所述的制备钛制品的方法，其特征在于：所述退火工艺在真空或氩气保护氛围下进行，退火工艺条件为温度500～700°C，保温时间0.5～6小时；真空退火处理时真空度为1X10-3～1X10-6Pa。
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