一种Ti-Al基非晶合金粉末材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及金属粉末制备的领域,具体涉及一种Ti-Al基非晶合金粉末材料、制备方法及其应用。
背景技术
目前,3D打印技术所面临的问题之一就是原材料的短缺,对于金属3D打印更是如此。目前可用于金属3D打印的材料种类少、性能不稳定、成品不耐高温,成为制约3D打印技术发展和应用的瓶颈问题。传统粉末冶金用的金属粉末材料还不能完全适应3D打印工艺。
Ti-Al基合金主要有α-Ti3Al相和γ-TiAl相组成,它具有比强度高和比模量高、抗高温蠕变性能和抗高温氧化性能好等特点,是未来航空航天非常有潜力的轻质高温结构材料。在航空航天、化工、核工业、运动器材以及医疗器械等领域得到了广泛的应用。但是,目前Ti-Al基非晶/纳米晶材料工业化应用受到了限制,主要是因为其室温延展性较低,其拉伸塑性几乎为零,压缩塑性一般也低于2%,极易发生脆性断裂,导致其室温加工困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti-Al基非晶合金粉末材料、制备方法及其应用,采用机械合金化,通过优化球磨时间和加入不同质量分数的合金元素,改善其室温加工性能和综合力学性能。解决了Ti-Al基非晶材料的室温延展性低、拉伸塑性差、压缩塑性差、极易发生脆性断裂和室温加工困难导致的Ti-Al基非晶材料工业化应用受限制的问题。
为了实现上述目的,本发明提供的一种Ti-Al基非晶合金材料,按重量份数计,合金材料包括:钛60-65份、铝30-35份和硼1-2份,还包括:钨0-6份、硅0-2份和/或钒0-3份。
本发明通过增大粉末中非晶含量,采用元素替代法,将B、W、Si、V元素分别取代部分Al元素,例如B元素的添加可以占据Ti、Al相的位置,使得合金晶格畸变、重排,能够细化晶粒,优化合金的非晶形成能力。非晶宽化峰形成主要的两个原因是:一是合金粉末受到高能冲击,产生的内应力导致自身晶体畸变,增大了合金非晶化取向;二是在不断的球磨过程中,粉末不断发生冷焊、破碎过程,导致晶粒越来越小,提高了Al、B在Ti原子中的占有率,从而又加速了晶体畸变过程。大量的小尺寸的溶质原子不断溶入大尺寸的Ti原子晶格中,增加了固溶体的不稳定性,当溶质原子在溶剂Ti中的固溶度超过临界值后,合金元素晶格失稳崩溃,从而形成短程有序的非晶相。本发明制备的Ti-Al基非晶合金材料的密度小于纯钛(4.5g/cm3)的密度,硬度均在45以上。本发明所提供的Ti-Al基非晶合金材料既可以使打印出的零部件轻量化,又达到了高强度、耐磨损的功能化要求,提高了合金组织的均匀性和改善合金塑形。
优选地,所述合金材料为合金粉末颗粒。
优选地,所述合金粉末颗粒为球形,粒径为15-50μm,含氧量为0.09-0.14%。
本发明还提供的一种Ti-Al基非晶合金材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)选取相应含量的合金材料粉末,将所取的合金材料粉末置入混粉机中混合均匀;
(2)将混合均匀的合金粉末材料进行机械合金化,制得合金材料成品。
机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎,从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。
进一步地,所述机械合金化操作为将材料球磨运行25-35分钟,之后冷却8-16分钟,之后逆向运行25-35分钟,重复多次,操作总时长42-28小时。
机械合金化才用的高能球磨时产生的热量会使球磨罐温度升高,因此才有球磨间歇冷却的运行方式,球磨法通过设计不同球磨时间,优选出使合金非晶含量较多的球磨时间45小时,采用球磨45小时的优化工艺。
本发明还提供的一种Ti-Al基非晶合金材料的应用,供金属3D打印机用于3D打印零部件。
进一步地,用于3D打印零部件,打印操作时,建造速率为35-45cm3/h,激光扫描速度为5-15m/s,分层厚度为25-35μm。
本发明提供的一种Ti-Al基非晶合金粉末材料、制备方法及其应用,具有如下有益效果:
通过优化球磨工艺,增大粉末中非晶含量,提高了合金组织的均匀性和强度,改善合金塑形和综合力学性能,室温延展性好;
Ti-Al基非晶合金材料制备的零部件既有钛合金“轻量化”的结构特点,又具有强度高、耐磨损、耐蚀性优异、良好的抗高温蠕变性能和良好的室温加工性能;
能够室温条件下加工,实现Ti-Al基非晶合金材料工业化应用。
附图说明
图1为本实施例中Ti-Al基非晶合金粉末材料的制备工艺流程图。
图2为本实施例中机械合金化的球磨工艺流程图。
图3为本实施例一中不同球磨时间Ti50Al45B5粉末的XRD衍射图。
图4为本实施例中不同材料成分的Ti-Al基非晶合金粉末产物的XRD衍射图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一种Ti-Al基非晶合金材料,Ti-Al基非晶合金粉末材料按重量份数计含有:钛60-65份、铝30-35份和硼1-2份,还包括:钨0-6份、硅0-2份和/或钒0-3份,余量为不可避免的杂质。
所有实施例采用的球磨设备是南京大学仪器厂生产的QM-3SP4行星式球磨机,3D打印设备是德国SLM Solution公司生产的SLM 280金属3D打印设备。
实施例一
请参考图1,Ti50Al45B5粉末,取钛粉末6.43千克、铝粉末3.42千克、硼粉末0.15千克,所取粉末颗粒均为球形形貌,粒径为30~50μm,含氧量为0.09~0.14%。将所取粉末置入混粉机中混合10分钟至混合均匀。
合金粉末的配料及装罐在真空手套箱中进行,以减少合金元素与空气的接触,避免氧化现象的产生。装料完成后需要对球磨罐进行抽真空并且充高纯氩气的操作,减小球磨过程有害气体元素的影响。将混合粉末通过机械合金化,即球磨运行30min,间歇冷却12min,然后逆向运行30min的方式,球转速率为350rad/min,球料比为30:1,钢罐容积为500ml。球磨总时长为45h,得到粉末成品。机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎,从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。由于高能球磨时产生的热量会使球磨罐温度升高,因此实验时采用运行中间歇冷却的方式。
合金粉末颗粒均为球形形貌,粉末经球磨法机械合金化后粒径变小,为15~50μm,含氧量为0.09~0.14%。
用所获得的成品粉末进行3D打印,打印参数为:建造速率:40cm3/h,激光扫描速度:10m/s,分层厚度:30μm。
3D打印零部件的密度、相对密度、硬度及耐磨性见表1。
实施例一中,采用XRD技术分析Ti50Al45B5粉末粉末非晶转变程度,如图3。可见球磨45h后,在2θ=38~44度出现明显的平滑馒头峰,表明合金粉末已基本实现非晶化。B元素的添加可以占据Ti、Al相的位置,使得合金晶格畸变、重排,能够细化晶粒,优化合金的非晶形成能力。非晶宽化峰形成主要的两个原因是:一是合金粉末受到高能冲击,产生的内应力导致自身晶体畸变,增大了合金非晶化取向;二是在不断的球磨过程中,粉末不断发生冷焊、破碎过程,导致晶粒越来越小,提高了Al、B在Ti原子中的占有率,从而又加速了晶体畸变过程。大量的小尺寸的溶质原子不断溶入大尺寸的Ti原子晶格中,增加了固溶体的不稳定性,当溶质原子在溶剂Ti中的固溶度超过临界值后,合金元素晶格失稳崩溃,从而形成短程有序的非晶相。因此四元Ti-Al基合金采用球磨45h的优化工艺。
实施例二
Ti50Al45B4W粉末,取钛粉末6.17千克、铝粉末3.28千克、硼粉末0.14千克,钨粉末0.41千克,所取粉末颗粒均为球形形貌,粒径为30~50μm,含氧量为0.09~0.14%。将所取粉末置入混粉机中混合10分钟至混合均匀。
合金粉末的配料及装罐在真空手套箱中进行,以减少合金元素与空气的接触,避免氧化现象的产生。装料完成后需要对球磨罐进行抽真空并且充高纯氩气的操作,减小球磨过程有害气体元素的影响。将混合粉末通过机械合金化,即球磨运行30min,停12min,然后逆向运行30min的方式,球转速率为350rad/min,球料比为30:1,钢罐容积为500ml。球磨总时长为45h,得到粉末成品。机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎,从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。由于高能球磨时产生的热量会使球磨罐温度升高,因此实验时采用运行中间歇冷却的方式。
合金粉末颗粒均为球形形貌,粉末经球磨法机械合金化后粒径变小,为15~50μm,含氧量为0.09~0.14%。
用所获得的成品粉末进行3D打印,打印参数为:建造速率:40cm3/h,激光扫描速度:10m/s,分层厚度:30μm。
3D打印零部件的密度、相对密度、硬度及耐磨性见表1。
实施例三
Ti50Al45B4Si粉末,取钛粉末6.38千克、铝粉末3.39千克、硼粉末0.15千克,硅粉末0.08千克,所取粉末颗粒均为球形形貌,粒径为30~50μm,含氧量为0.09~0.14%。将所取粉末置入混粉机中混合10分钟至混合均匀。
合金粉末的配料及装罐在真空手套箱中进行,以减少合金元素与空气的接触,避免氧化现象的产生。装料完成后需要对球磨罐进行抽真空并且充高纯氩气的操作,减小球磨过程有害气体元素的影响。将混合粉末通过机械合金化,即球磨运行30min,停12min,然后逆向运行30min的方式,球转速率为350rad/min,球料比为30:1,钢罐容积为500ml。球磨总时长为45h,得到粉末成品。机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎,从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。由于高能球磨时产生的热量会使球磨罐温度升高,因此实验时采用运行中间歇冷却的方式。
合金粉末颗粒均为球形形貌,粉末经球磨法机械合金化后粒径变小,为15~50μm,含氧量为0.09~0.14%。
用所获得的成品粉末进行3D打印,打印参数为:建造速率:40cm3/h,激光扫描速度:10m/s,分层厚度:30μm。
3D打印零部件的密度、相对密度、硬度及耐磨性见表1。
实施例四
Ti50Al45B4V粉末,取钛粉末6.35千克、铝粉末3.38千克、硼粉末0.14千克,钒粉末0.13千克,所取粉末颗粒均为球形形貌,粒径为30~50μm,含氧量为0.09~0.14%。将所取粉末置入混粉机中混合10分钟至混合均匀。
合金粉末的配料及装罐在真空手套箱中进行,以减少合金元素与空气的接触,避免氧化现象的产生。装料完成后需要对球磨罐进行抽真空并且充高纯氩气的操作,减小球磨过程有害气体元素的影响。将混合粉末通过机械合金化,即球磨运行30min,停12min,然后逆向运行30min的方式,球转速率为350rad/min,球料比为30:1,钢罐容积为500ml。球磨总时长为45h,得到粉末成品。机械合金化是一个通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎,从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。由于高能球磨时产生的热量会使球磨罐温度升高,因此实验时采用运行中间歇冷却的方式。
合金粉末颗粒均为球形形貌,粉末经球磨法机械合金化后粒径变小,为15~50μm,含氧量为0.09~0.14%。
用所获得的成品粉末进行3D打印,打印参数为:建造速率:40cm3/h,激光扫描速度:10m/s,分层厚度:30μm。
3D打印零部件的密度、相对密度、硬度及耐磨性见表1。
将以上工艺制备的粉末进行XRD测试得到图4所示的XRD图谱。可知,在球磨45h后实施例二的Ti50Al45B5、实施例三的Ti50Al45B4Si出现了典型的非晶“馒头峰”,实施例四是Ti50Al45B4V晶化峰消失,但是非晶漫射峰未完全显示出来。以上成分合金均产生了不同程度的非晶化。
表1中依次对应上述实施例一至实施例四中得到的3D打印零部件。
表1四种实施例中材料密度硬度相对耐磨性对照表
|
密度(g/cm3) |
相对密度(%) |
硬度(HRC) |
相对耐磨性(ε) |
实施例1 |
3.67 |
94.6 |
45.5 |
16.1 |
实施例2 |
4.39 |
95.2 |
47.9 |
17.7 |
实施例3 |
3.71 |
96.1 |
53.3 |
30.3 |
实施例4 |
3.76 |
95.7 |
50.2 |
27.6 |
其中密度采用排水法测量,先用天平测出质量M;用量筒测出体积V;用公式ρ测量=M/V计算密度。相对密度可以基本衡量其致密度,其计算公式为ρ相对=ρ测量/ρ理论,其中ρ理论为烧结试样的理论密度:ρ理论=ρ1·G1+ρ2·G2+···+ρn·Gn,其中ρ1、ρ2…ρn为各元素的理论密度,G1、G2….Gn为各元素组元的质量分数(单位为1)。
其中硬度均采用HR—150A洛氏硬度机,载荷为150kg,对3D打印零部件取五点打硬度,最后得到该零部件的平均洛氏硬度值。
其中磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机进行磨损实验。在3D打印零部件中取六个57×25×5mm磨损式样,磨损实验时,实验参数如下:橡胶轮转速:240转/分,橡胶轮直径:178mm,橡胶轮硬度:60(邵尔硬度),载荷:10Kg,磨损时间:250s,橡胶轮转数:约1000转,磨料:40~70目的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后,将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中,在超声波清洗仪中清洗3~5分钟,实验时用Q235钢作为对比,对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性:相对耐磨性ε=标准试样磨损量/试样磨损量。
从表1中可以看出,本发明制备的钛铝基合金粉末的密度小于纯钛(4.5g/cm3)的密度,硬度均在45以上。四种成分的3D金属成型件中,Ti50Al45B5Si的相对密度最大,说明非金属Si元素能够明显改善钛铝基合金的致密度,并且其硬度达到了53.3HRC,相对耐磨性更是高达Q235钢的31倍。因此,本发明所提供的3D打印用Ti-Al基合金粉末材料既可以是打印出的零部件轻量化,又达到了高强度、耐磨损的功能化要求。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离该发明构思的前提下,所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进,均应包含在本发明的保护范围之内。