CN108080621A - 低成本激光选区熔化用钛粉、其制备方法及钛材制备方法 - Google Patents
低成本激光选区熔化用钛粉、其制备方法及钛材制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及低成本激光选区熔化用钛粉、其制备方法及钛材制备方法；所述钛粉以氢化脱氢不规则纯钛粉末为原料粉末经球磨整形方法制备，所述粉末D50为28～52μm、D90－D10≤20μm、氧含量≤0.45wt.％、松装密度≥1.5g/cm3、振实密度≥2g/cm3、Carr流动性指数≥65。本发明充分利用低成本的不规则钛粉，原料成本节约80％以上；采用本发明制备的钛粉制备激光选区熔化制件致密度可达到96％以上；强度至900MPa以上；且其延伸率可达到20％以上。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，特别涉及激光选区熔化用钛粉制备技术领域。
背景技术
钛及钛合金由于具有密度低、比强度高、耐热性强、耐蚀性好、无毒无磁和良好生物相容性等性能,广泛应用于航空航天、生物医用、汽车等领域。但是，钛及其合金的机加工性能差，成为大量生产复杂形状零件的障碍。因此，寻求钛及钛合金零件的低成本近终成形制造技术，是钛及钛合金制造不懈努力的方向。
激光选区熔化(SLM)成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。利用高能量激光束逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。SLM技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，无需任何工装夹具和模具，利用金属粉末直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛及钛合金零件等。
SLM技术对所使用的原料粉末要求较高，需要粉体具有较高的球形度、流动性、纯度及较窄的粒度分布范围等等。目前，国内外有关SLM钛及钛合金的研究报道均是采用雾化法生产的球形粉末为原料，这种粉末球形度高、杂质含量低、流动性好，可实现复杂形状钛制品的打印制备。根据文献报道，以雾化钛粉为原料制备的SLM钛制品性能优异，其抗拉强度为650～770Mpa，延伸率为17～21％。但雾化粉末的价格极为昂贵，钛及钛合金粉末在国内的价格达到2500～3500元/kg，造成SLM钛制品的价格居高不下，成为3D打印技术在钛合金领域推广应用的最大制约。因此，如何降低原材料成本的相关研究具有重要的理论及现实意义。
氢化脱氢钛粉是目前市场最为普遍使用的原料粉末，它价格低廉，仅为雾化粉末价格的10％左右，约为200～300元/kg，如能将其用于SLM技术，将极大的节约成本。但是氢化脱氢钛粉相对于雾化粉体，其形状不规则、流动性性差，不能直接用于激光选区熔化用粉末。目前，甚至以这种低成本的不规则钛及钛合金粉末为原料，来用于SLM技术方面的研究也还未见报导。
发明内容
为解决上述激光选区熔化技术所使用原料成本过高的问题，本发明提供低成本激光选区熔化用钛粉、其制备方法及钛材制备方法，本发明以低成本不规则钛粉为原料，设计一种加工成本低、工艺实施简单的整形方法，有效改善其流动性，使其达到激光选区熔化技术对原料粉体的要求，适配相应的激光选区熔化技术参数，制备出性能优异的纯钛制件。
为实现上述目的之一，本发明采用的技术方案如下：
低成本激光选区熔化用钛粉，所述钛粉以氢化脱氢不规则纯钛粉末为原料粉末经球磨整形方法制备，所述粉末D50为28～52μm、D90－D10≤20μm、氧含量≤0.45wt.％、松装密度≥1.5g/cm3、振实密度≥2g/cm3、Carr流动性指数≥65。
进一步，所述原料粉末粒度中位径D50为25～55μm，氧含量≤0.35wt.％。
为实现上述目的之二，本发明采用的技术方案如下：
低成本激光选区熔化用钛粉的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1：原料选择，具体为，选择氢化脱氢不规则纯钛粉末为原料，所述原料粒度中位径D50为25～55μm，氧含量≤0.35wt.％；
S2：球磨整形，具体为，将原料粉末按球料比4:1～7:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.4～0.6，磨球材质为不锈钢，直径为4～6mm，将球磨罐抽真空至1×10-2Pa或充入氩气保护，在80～200r/min的转速下，球磨2～8h；
S3：筛分，具体为对球磨后收集的粉末在25～55μm的范围里进行分级筛分，相邻筛网的筛孔尺寸相差≤15μm，只取相邻筛网之间的粉末；
S4：干燥收集，将筛分后的粉末在真空干燥箱中以60℃干燥2～3h，以其作为激光选区熔化用的钛粉材料。
进一步，所述相邻筛网之间的粉末包括粒度范围为25～33μm，33～47μm，33～38μm和48～55μm的粉末。
为实现上述目的之三，本发明采用的技术方案如下：
低成本激光选区熔化钛材制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S100：选择本发明上述方法制备的低成本激光选区熔化用钛粉为原料；
S200：根据需制备的钛材零件形状，在电脑中绘制三维图案，并规划激光选区扫描路径；
S300：以纯钛板为基板材料，并预热至200℃，然后设定激光选区熔化条件，在惰性气体保护条件下，按照S200步骤的扫描路径进行激光选区熔化钛材的逐层铺粉、扫描熔化制备成形钛材；
S400：退火，将S300步骤制备的钛材在惰性气体保护条件下进行退火处理。
进一步，S300步骤之后S400步骤之前，还包括：
S300′：喷砂及清洗，具体为，将成形钛材进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干。
进一步，所述S300步骤中的激光选区熔化条件为激光功率为100～200W，扫描速率为350～850mm/s，能量密度60～130J/mm3，加工层厚25～55μm。
进一步，所述S300步骤和S400步骤中的惰性气体为氩气。
进一步，所述S400步骤中的退火处理的加热温度为550～750℃，保温0.5～3h，保温后空冷。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
1)充分利用低成本的不规则钛粉，原料成本节约80％以上；
2)球磨整形处理成本低、工艺简单、易于操作，能够达到激光选区熔化过程铺粉要求，制备激光选区熔化制件致密度可达到96％以上；
3)利用低成本钛粉氧含量较高这一弱势，有效提升激光选区熔化制件的强度至900MPa以上；
4)利用原料粉末的球磨整形技术，有助于降低激光选区熔化钛制件晶粒尺寸以及组织均匀化，形成超细、超均匀针状马氏体组织，使激光选区熔化制件在保持高强度的基础上，仍然保持高塑性的特征，其延伸率可达到20％以上。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例1氢化脱氢钛粉球磨后的扫描电镜形貌照片；
图2为本发明实施例1钛材成形件的表面显微组织照片；
图3为本发明实施例1的激光选区熔化制备钛材成形件热处理前后拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
1.粉体整形：原料粉末为-500目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为25μm，将原料钛粉按球料比4:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.6，磨球材质为不锈钢，直径为4mm，充入氩气作为保护气氛，在200r/min的转速下，球磨2h。然后将球磨后收集的粉末筛分出25～33μm的粉体，过筛粉末D50＝28μm，D90－D10＝19μm，氧含量＝0.42wt.％，松装密度＝1.5g/cm3，振实密度＝2g/cm3，Carr流动性指数＝65，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的钛粉材料，所制备的钛粉扫描电镜形貌照片如图1所示。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为100W，扫描速率为665mm/s，能量密度80J/mm3，加工层厚25μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；钛材成形件的表面显微组织照片如图2所示。
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到550℃，保温1h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为95.8％，氧含量为0.42wt.％，钛材成形件抗拉强度为919MPa，延伸率为18％，如图3热处理前后拉伸应力应变曲线所示，热处理后抗拉强度为900MPa，延伸率为21％。
实施例2
1.粉体整形：原料粉末为-500目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为25μm，将原料钛粉按球料比5:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.5，磨球材质为不锈钢，直径为6mm和直径为4mm的磨球质量比为1:1，充入氩气作为保护气氛，在150r/min的转速下，球磨4h。然后将球磨后收集的粉末筛分出25～33μm的粉体，过筛粉末D50＝30μm，D90－D10＝17μm，氧含量＝0.40wt.％，松装密度＝1.6g/cm3，振实密度＝2.2g/cm3，Carr流动性指数＝66，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的粉体材料。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为120W，扫描速率为850mm/s，能量密度60J/mm3，加工层厚30μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到650℃，保温0.5h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为95.3％，氧含量为0.40wt.％，热处理后抗拉强度为890MPa，延伸率为21％。
实施例3
1.粉体整形：原料粉末为-325目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为45μm，将原料钛粉按球料比5:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.5，磨球材质为不锈钢，直径为6mm，充入氩气作为保护气氛，在100r/min的转速下，球磨6h。然后将球磨后收集的粉末筛分出33～47μm的粉体，过筛粉末D50＝46μm，D90－D10＝20μm，氧含量＝0.39wt.％，松装密度＝1.6g/cm3，振实密度＝2.3g/cm3，Carr流动性指数＝69，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的粉体材料。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为140W，扫描速率为350mm/s，能量密度130J/mm3，加工层厚45μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到600℃，保温3h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为95.9％，氧含量为0.39wt.％，热处理后抗拉强度为920MPa，延伸率为15％。
实施例4
1.粉体整形：原料粉末为-400目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为38μm，将原料钛粉按球料比6:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.6，磨球材质为不锈钢，直径为6mm和直径为4mm的磨球质量比为3:5，充入氩气作为保护气氛，在200r/min的转速下，球磨4h。然后将球磨后收集的粉末筛分出33～38μm的粉体，过筛粉末D50＝33μm，D90－D10＝18μm，氧含量＝0.40wt.％，松装密度＝1.5g/cm3，振实密度＝2.2g/cm3，Carr流动性指数＝67，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的粉体材料。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为160W，扫描速率为565mm/s，能量密度115J/mm3，加工层厚35μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到700℃，保温1.5h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为96.9％，氧含量为0.41wt.％，热处理后抗拉强度为912MPa，延伸率为17％。
实施例5
1.粉体整形：原料粉末为-500目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为25μm，将原料钛粉按球料比7:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.6，磨球材质为不锈钢，直径为6mm，充入氩气作为保护气氛，在120r/min的转速下，球磨5h。然后将球磨后收集的粉末筛分出25～33μm的粉体，过筛粉末D50＝31μm，D90－D10＝19μm，氧含量＝0.38wt.％，松装密度＝1.6g/cm3，振实密度＝2.1g/cm3，Carr流动性指数＝66，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的粉体材料。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为180W，扫描速率为745mm/s，能量密度115J/mm3，加工层厚30μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到600℃，保温1h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为96.6％，氧含量为0.40wt.％，热处理后抗拉强度为909MPa，延伸率为18％。
实施例6
1.粉体整形：原料粉末为-270目的氢化脱氢钛粉，粒度中值为55μm，将原料钛粉按球料比7:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.4，磨球材质为不锈钢，直径为6mm，充入氩气作为保护气氛，在80r/min的转速下，球磨8h。然后将球磨后收集的粉末筛分出48～55μm的粉体，过筛粉末D50＝52μm，D90－D10＝20μm，氧含量＝0.35wt.％，松装密度＝1.7g/cm3，振实密度＝2.2g/cm3，Carr流动性指数＝67，在真空干燥箱中以60℃干燥2h，以其作为激光选区熔化用的粉体材料。
2.激光选区熔化成形：基板材料为纯钛，基板预热200℃，激光功率为200W，扫描速率为480mm/s，能量密度105J/mm3，加工层厚55μm，氩气气氛下制备；将成形件进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干；
3.退火热处理：将成形件在保护气氛下加热到750℃，保温2h，空冷。
经检测，制备样品的致密度为96.2％，氧含量为0.37wt.％，抗拉强度为917MPa，延伸率为19％。
性能对比试验
根据本发明的上述实施例1-6，选取现有技术中报道的两种气雾化粉末采用同样的激光选区熔化制备工艺制备的钛材成形件进行力学性能指标和经济指标的评价，结果如表1所示。结果表明，本发明以低成本的钛粉作为原料，成功实现了激光选区熔化制备技术。其制品抗拉强度可到达900MPa以上，同时延伸率不低于15％，满足现阶段的实际应用需求。与现有报道相比，本发明制备的纯钛制品具有更高的强度，而塑性与其处于同一水平。而对比成本可知，本发明采用的氢化脱氢钛粉成本极低，仅是市面雾化原料粉末成本的10％左右，因此可显著降低制备成本。综上所述，本发明的方法既降低了成本，又在一定程度上改善了钛材成形件的力学性能。
表1不同原料制备激光选区熔化制件的性能对比
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.低成本激光选区熔化用钛粉，其特征在于，所述钛粉以氢化脱氢不规则纯钛粉末为原料粉末经球磨整形方法制备，所述粉末D50为28～52μm、D90－D10≤20μm、氧含量≤0.45wt.％、松装密度≥1.5g/cm3、振实密度≥2g/cm3、Carr流动性指数≥65。
2.如权利要求1所述的低成本激光选区熔化用钛粉，其特征在于，所述原料粉末粒度中位径D50为25～55μm，氧含量≤0.35wt.％。
3.如权利要求1或2所述的低成本激光选区熔化用钛粉的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1：原料选择，具体为，选择氢化脱氢不规则纯钛粉末为原料；
S2：球磨整形，具体为，将原料粉末按球料比4:1～7:1置于不锈钢球磨罐中，填充率0.4～0.6，磨球材质为不锈钢，直径为4～6mm，将球磨罐抽真空至1×10-2Pa或充入氩气保护，在80～200r/min的转速下，球磨2～8h；
S3：筛分，具体为对球磨后收集的粉末在25～55μm的范围里进行分级筛分，相邻筛网的筛孔尺寸相差≤15μm，只取相邻筛网之间的粉末；
S4：干燥收集，将筛分后的粉末在真空干燥箱中以60℃干燥2～3h，以其作为激光选区熔化用的钛粉材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述相邻筛网之间的粉末包括粒度范围为25～33μm，33～47μm，33～38μm和48～55μm的粉末。
5.采用权利要求1或2所述的低成本激光选区熔化用钛粉进行钛材制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S100：选择本发明上述方法制备的低成本激光选区熔化用钛粉为原料；
S200：根据需制备的钛材零件形状，在电脑中绘制三维图案，并规划激光选区扫描路径；
S300：以纯钛板为基板材料，并预热至200℃，然后设定激光选区熔化条件，在惰性气体保护条件下，按照S200步骤的扫描路径进行激光选区熔化钛材的逐层铺粉、扫描熔化制备成形钛材；
S400：退火，将S300步骤制备的钛材在惰性气体保护条件下进行退火处理。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S300步骤之后S400步骤之前，还包括：
S300′：喷砂及清洗，具体为，将成形钛材进行喷砂处理，然后超生波清洗10min后烘干。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述S300步骤中的激光选区熔化条件为激光功率为100～200W，扫描速率为350～850mm/s，能量密度60～130J/mm3，加工层厚25～55μm。
8.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述S300步骤和S400步骤中的惰性气体为氩气。
9.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述S400步骤中的退火处理的加热温度为550～750℃，保温0.5～3h，保温后空冷。
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