CN106041084B - 基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为纯钛或钛合金。本发明还提供了一种制备该点阵材料的方法。本发明所提供的三维点阵材料主要由多个基本单元叠加而成，经过电子束选区熔化成型、真空退火、化学腐蚀等处理后，具备了稳定的压缩性能，并且其压缩曲线呈明显的塑性屈服平台状，为结构设计者提供了稳定可靠的计算依据。

Description

基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属构件的增材制造技术领域，具体涉及一种基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料及其制备方法。
背景技术
三维点阵材料是一种典型的结构功能一体化材料，属于多孔材料的范畴，是由节点及连接杆单元组成的具有高孔隙率、周期性结构的有序多孔材料。与传统的金属泡沫和金属蜂窝材料相比，以金属钛、铝合金等轻金属为基体的三维金属点阵材料具有更高的比强度、比刚度和单位质量吸能性，尤其是当相对密度较低时，三维点阵材料具有尤为突出的质量效率和性能优势，是目前国际上公认的最有前景的超强韧轻质结构材料之一。
三维金属点阵材料的制备方法主要有熔模铸造法、冲压法、拉伸网折叠法、搭接拼装法、挤压切割法等。其中，熔模铸造法工艺流程极其复杂，需要制造模具，成本高，且容易产生缺陷；冲压法和挤压切割法则需制造模具，生产成本较高，并且材料对材料的延展性要求较高同时材料浪费严重；拉伸网折叠法虽然原料浪费少，但其在制造过程中仍需剧烈变形，只能用于高延展性的材料，导致制成的结构强度较低，且加工工艺较为复杂。
利用逐层堆叠原理构造成型的电子束选区熔化成型技术，不仅加工精度高，而且几乎可以制造出任何形状的结构，为制备出任何复杂单胞结构的金属点阵结构提供了可能。电子束选区熔化技术(Electron Beam Melting，EBM)由于是在高真空下进行，特别适合钛等活性金属的制备与加工，并且电子束扫描速度快，成形效率较高。已有学者利用金属3D技术开展三维金属点阵材料的制备，所采用的单胞结构多种多样，如十字结构、蜂窝结构、12面体结构、金刚石结构等，并对其力学性能进行了评价。但现有结果表明电子束选区熔化成型技术制备的钛基三维点阵材料的断裂方式均为脆性断裂，在其压缩的应力应变曲线上表现为锯齿状的波动，并且这种波动的重现性较差，无法为设计者提供可靠的力学性能参数，极大限制了电子束选区熔化成型技术制备在能量吸收、医用植入物等行业中的应用。
以上分析可以看出，传统制备方法不仅给基体材料选择以及材料性能设计带来了极大困难，同时难以通过调整单胞结构实现材料性能的调控，电子束选区熔化成型技术虽然实现了各种复杂单胞形式三维点阵材料的制备，但材料性能的重复性差，无法实现三维金属点阵材料的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料。所述点阵材料的压缩变形量为50％～90％，压缩应力-应变曲线有塑性屈服平台，为结构设计者提供了稳定可靠的计算依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为纯钛或钛合金；所述点阵材料的压缩变形量为50％～90％，压缩应力-应变曲线有塑性屈服平台。
上述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，所述实心杆体的长度为2.7mm～20mm，所述实心杆体的截面形状为圆形或多边形，所述实心杆体截面的等效直径为0.3mm～5.0mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角为30°～70°。
上述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
上述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，该点阵材料还包括复合在三维立体结构上部或/和下部的致密面板，所述致密面板的材质为纯钛或钛合金。
另外，本发明还提供了一种制备上述三维点阵材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为600℃～1100℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体进行真空退火处理；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末层厚为30μm～150μm，所述电子束扫描速率为1.3×104mm/s～1.55×105mm/s，所述电子束扫描电流为10mA～30mA。
上述的方法，其特征在于，步骤七中所述真空退火处理的工艺为：退火温度为950℃～1200℃，升温速率为5℃/min～20℃/min，保温时间为1.5h～6h。
上述的方法，其特征在于，步骤七中所述三维点阵材料坯体填埋于烧结填料中进行真空退火处理。
上述的方法，其特征在于，步骤七中所述烧结填料为粒度为1mm～3mm的氧化锆。
上述的方法，其特征在于，步骤八中所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:(10～50)混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min～300min，所述化学腐蚀处理的温度为15℃～25℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、与三维金属点阵材料传统的制备方法相比，本发明是基于金属电子束选区熔化成型技术的逐层叠加沉积思想，成形零件的尺寸精确、外形轮廓、孔隙率等参数均可按照用户要求进行定制加工，并且成形精度和效率可满足医疗、航空航天对点阵材料的需要。
2、本发明所提供的三维金属点阵材料，由单胞(基本单元)结构叠加而成，经过电子束选区熔化成型、真空退火、化学腐蚀处理后，具备了稳定的压缩性能，并且压缩曲线呈明显的平台状，为结构设计者提供了稳定可靠的计算依据。
3、本发明不仅提供了三维金属点阵材料的单胞叠加结构以及点阵材料的制备方法，而且本发明的实现能够获得三维金属点阵材料的模量、强度、孔隙率与单胞尺寸间的对应关系，从而获得材料设计的计算准则，为实现钛基三维点阵材料在生物医用植入、能量吸收等行业的推广奠定了理论基础。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1三维点阵材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1三维点阵材料的压缩应力-应变曲线。
图3为本发明实施例2三维点阵材料的结构示意图。
图4为本发明实施例3三维点阵材料的结构示意图。
图5为本发明实施例4三维点阵材料的结构示意图。
图6为本发明实施例5三维点阵材料的结构示意图。
图7为本发明实施例1至实施例5基本单元的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为钛或钛合金。
本实施例中，所述三维立体结构的材质为Ti-6Al-4V钛合金。
本实施例中，所述实心杆体的长度L为3.0mm，所述实心杆体的截面形状为圆形，所述实心杆体截面的等效直径d为0.3mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为36°。如图7所示，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
经计算，该点阵材料的理论孔隙率为88％。
结合图1和图2，本实施例制备该三维点阵材料的方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；所述金属粉末层厚为50μm，所述电子束扫描速率为1.3×104mm/s，所述电子束扫描电流为15mA；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为800℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体填埋于烧结填料中，然后置于真空退火炉中进行真空退火处理；所述真空退火处理的工艺为：退火温度为1050℃，升温速率为10℃/min，保温时间为3h；所述烧结填料为粒度为1mm的氧化锆；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:30混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min，所述化学腐蚀处理的温度为20℃。
本实施例所获得的钛基三维点阵材料的结构如图1所示。利用多孔材料力学性能测试平台对点阵材料进行压缩试验，获得如图2所示的应力应变曲线，由图2可以看出，本实施例所获得的钛基三维点阵材料的压缩变形量为55％，且具有明显的压缩平台，平台应力在9MPa，模量为110MPa，测试获得材料的实际孔隙率为88％，与设计模型推算结果相一致，满足设计要求。
实施例2
本实施例基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，并且在三维立体结构的上部和下部均设置有致密板材，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构以及致密面板的材质均为纯钛或钛合金。
本实施例中，所述三维立体结构以及致密面板的材质均为Ti-6Al-4V钛合金。
本实施例中，所述实心杆体的长度L为2.7mm，所述实心杆体的截面形状为正六边形，所述实心杆体截面的等效直径d为0.5mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为41°。如图7所示，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
经计算，该点阵材料的理论孔隙率为76％。
本实施例制备该三维点阵材料的方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；所述金属粉末层厚为50μm，所述电子束扫描速率为1.8×104mm/s，所述电子束扫描电流为20mA；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为830℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体填埋于烧结填料中，然后置于真空退火炉中进行真空退火处理；所述真空退火处理的工艺为：退火温度为950℃，升温速率为20℃/min，保温时间为1.5h；所述烧结填料为粒度为3mm的氧化锆；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:50混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为300min，所述化学腐蚀处理的温度为20℃。
本实施例所获得的钛基三维点阵材料的结构如图3所示。利用多孔材料力学性能测试平台对点阵材料进行压缩试验，可知该材料的压缩变形量为50％，且具有明显的压缩平台，平台应力在10MPa，模量为145MPa，测试获得材料的实际孔隙率为77％，与设计模型推算结果相一致，满足设计要求。
实施例3
本实施例基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为钛或钛合金。
本实施例中，所述三维立体结构的材质为Ti-6Al-4V钛合金。
本实施例中，所述实心杆体的长度L为20mm，所述实心杆体的截面形状为正八边形，所述实心杆体截面的等效直径d为5.0mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为45°。如图7所示，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
经计算，该点阵材料的理论孔隙率为89％。
本实施例制备该三维点阵材料的方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；所述金属粉末层厚为150μm，所述电子束扫描速率为3.8×104mm/s，所述电子束扫描电流为20mA；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为730℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体填埋于烧结填料中，然后置于真空退火炉中进行真空退火处理；所述真空退火处理的工艺为：退火温度为1000℃，升温速率为20℃/min，保温时间为6h；所述烧结填料为粒度为3mm的氧化锆；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:10混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min，所述化学腐蚀处理的温度为15℃。
本实施例所获得的钛基三维点阵材料的结构如图4所示。利用多孔材料力学性能测试平台对点阵材料进行压缩试验，可知该材料的压缩变形量为78％，且具有明显的压缩平台，平台应力在32MPa，模量为127MPa，测试获得材料的实际孔隙率为89％，与设计模型推算结果相一致，满足设计要求。
实施例4
本实施例基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为钛或钛合金。
本实施例中，所述三维立体结构的材质为纯钛。
本实施例中，所述实心杆体的长度L为10mm，所述实心杆体的截面形状为圆形或多边形，所述实心杆体截面的等效直径d为2mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为70°。如图7所示，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
经计算，该材料的理论孔隙率为88％。
结合图1和图2，本实施例制备该三维点阵材料的方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；所述金属粉末层厚为30μm，所述电子束扫描速率为1.55×105mm/s，所述电子束扫描电流为10mA；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为600℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体填埋于烧结填料中，然后置于真空退火炉中进行真空退火处理；所述真空退火处理的工艺为：退火温度为1100℃，升温速率为15℃/min，保温时间为3h；所述烧结填料为粒度为2mm的氧化锆；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:50混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为60min，所述化学腐蚀处理的温度为25℃。
本实施例所获得的钛基三维点阵材料的结构如图5所示。利用多孔材料力学性能测试平台对点阵材料进行压缩试验，可知该材料的压缩变形量为82％，且具有明显的压缩平台，平台应力在28MPa，模量为117MPa，测试获得材料的实际孔隙率为88％，与设计模型推算结果相一致，满足设计要求。
实施例5
本实施例基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合；所述三维立体结构的材质为钛或钛合金。
本实施例中，所述三维立体结构的材质为TiNi合金。
本实施例中，所述实心杆体的长度L为4.5mm，所述实心杆体的截面形状为圆形，所述实心杆体截面的等效直径d为0.5mm，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为38°。如图7所示，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
经计算，该点阵材料的理论孔隙率为85％。
结合图1和图2，本实施例制备该三维点阵材料的方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；所述金属粉末层厚为150μm，所述电子束扫描速率为6×104mm/s，所述电子束扫描电流为30mA；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为1100℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中所述的平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中所述的对预热后的金属粉末进行选取熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体填埋于烧结填料中，然后置于真空退火炉中进行真空退火处理；所述真空退火处理的工艺为：退火温度为1200℃，升温速率为20℃/min，保温时间为1.5h；所述烧结填料为粒度为1mm的氧化锆；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1:3:50混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min，所述化学腐蚀处理的温度为25℃。
本实施例所获得的钛基三维点阵材料的结构如图6所示。利用多孔材料力学性能测试平台对点阵材料进行压缩试验，可知该材料的压缩变形量为90％，且具有明显的压缩平台，平台应力在36MPa，模量为76MPa，测试获得材料的实际孔隙率为85％，与设计模型推算结果相一致，满足设计要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，包括一个由多个基本单元叠加而成的三维立体结构，所述三维立体结构的材质为纯钛或钛合金，其特征在于，所述基本单元由多个等腰三角形组成，多个所述等腰三角形的顶端相重合，所述等腰三角形的腰为实心杆体，所述等腰三角形的其余部分均为虚体，相邻两个等腰三角形之间均有一个腰重合，所述实心杆体与电子束选区熔化沉积面之间的夹角θ为30°～45°；所述三维点阵材料的压缩变形量为50％～90％，压缩应力-应变曲线有塑性屈服平台，所述三维点阵材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中所建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为600℃～1100℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中对预热后的金属粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体进行真空退火处理，所述真空退火处理的工艺为：退火温度为950℃～1200℃，升温速率为5℃/min～20℃/min，保温时间为1.5h～6h；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中所采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1∶3∶(10～50)混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min～300min，所述化学腐蚀处理的温度为15℃～25℃。
2.根据权利要求1所述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，所述实心杆体的长度L为2.7mm～20mm，所述实心杆体的截面形状为圆形或多边形，所述实心杆体截面的等效直径d为0.3mm～5.0mm。
3.根据权利要求1所述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，所述基本单元中实心杆体的数量为8根。
4.根据权利要求1所述的基于电子束选区熔化技术的三维点阵材料，其特征在于，该点阵材料还包括复合在所述三维立体结构上部或/和下部的致密面板，所述致密面板的材质为纯钛或钛合金。
5.一种制备如权利要求1至4中任一权利要求所述三维点阵材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件建立三维点阵材料的三维实体模型；所述三维建模软件为Pro/Engineer软件、Solidworks软件或Unigraphic软件；
步骤二、利用切层软件对步骤一中所建立的三维点阵材料的三维实体模型进行切片离散化处理，得到各层切片的截面数据，然后将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径导入电子束快速成型机中，之后在电子束快速成型机上设定加工参数，所述加工参数包括金属粉末层厚、电子束扫描速率和电子束扫描电流；所述切层软件为AutoFab软件、NetFabb软件或Magics软件；
步骤三、将金属粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束快速成型机中，抽真空至真空度不大于3×10-1Pa后充入惰性气体，然后采用电子束对电子束快速成型机中的底板进行预热直至底板的温度为600℃～1100℃；
步骤四、将金属粉末平铺在步骤三中预热后的底板上，然后采用电子束对平铺在底板上的金属粉末进行预热；
步骤五、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤四中预热后的金属粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；
步骤六、重复步骤四中平铺金属粉末并进行预热的加工工艺以及步骤五中对预热后的金属粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，得到点阵材料坯体；
步骤七、对步骤六中所述点阵材料坯体进行真空退火处理，所述真空退火处理的工艺为：退火温度为950℃～1200℃，升温速率为5℃/min～20℃/min，保温时间为1.5h～6h；
步骤八、对步骤七中真空退火处理后的点阵材料坯体进行化学腐蚀处理，清洗干净后得到三维点阵材料；所述化学腐蚀处理过程中所采用的化学腐蚀液为氢氟酸-硝酸混合酸液，该混合酸液由质量百分比浓度为40％的氢氟酸、质量百分比浓度为68％的硝酸和去离子水按体积比1∶3∶(10～50)混合均匀而成，所述化学腐蚀处理的时间为30min～300min，所述化学腐蚀处理的温度为15℃～25℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末层厚为30μm～150μm，所述电子束扫描速率为1.3×104mm/s～1.55×105mm/s，所述电子束扫描电流为10mA～30mA。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤七中三维点阵材料坯体填埋于烧结填料中进行真空退火处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤七中所述烧结填料为粒度为1mm～3mm的氧化锆。
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