CN109865836A

CN109865836A - 一种3D打印增强体/Ti2AlNb基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN109865836A
Application number: CN201910272259.4A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 韩子茹; 王庆娟; 高原; 王快社
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: CN109865836B

Abstract

本发明公开了一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，属于金属材料制造领域。制备方法包括：(1)以Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以TiB₂、石墨烯或TiC粉为增强颗粒；(2)将所选粉料混合进行机械搅拌；(3)将预搅拌后的粉料进行干法球磨混粉；(4)用计算机设计所需试样的三维图形，将绘制程序输入到3D打印机中；(5)将球磨后的混合粉料按照预设程序层层扫描，最终制备出所需复合材料。本发明工艺简单，各组分之间具有优异的稳定性，增强相与基体结合紧密且在激光熔化过程中生成的第二相在金属内部形成钉扎作用；增强相和第二相共同作用产生细晶强化效果，可消除3D打印后材料存在的缺陷。本发明复合材料的平均晶粒尺寸小且材料的硬度和摩擦磨损性能都显著优化。

Description

一种3D打印增强体/Ti2AlNb基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料制造技术领域，特别涉及一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti₂AlNb合金是钛合金中一种较为新型的合金，因其低密度，高强度和优异的耐腐蚀性能在汽车制造、航空航天、生物医学等领域具有很高的应用价值和广阔的应用前景。但其作为航空发动机高温运动副零部件使用时，较差的耐磨性能导致整机系统的寿命和可靠性下降。因此，提高和改善Ti₂AlNb合金的摩擦学性能是目前迫切需解决的难题之一。

因此需要在钛合金中加入增强颗粒或填料以生产性能更优的复合材料。增强相的加入不仅能进一步提高钛合金的抗蠕变性和摩擦磨损性能，还能提高钛合金的比强度和比模量，提高钛合金硬度和稳定性。

需要用到3D打印技术中的选区激光熔化技术(SLM)。SLM在其作用于金属粉时，使粉末发生完全熔化/凝固，成形件的成形质量相比于选区激光烧结技术制备出的成形件有着显著的提高。而增强颗粒在激光熔化过程中会与基体Ti₂AlNb发生原位反应生成第二相，可在金属内部形成钉扎作用使凝结后材料结构致密，且增强相和第二相对机体共同作用产生细晶强化效果，消除3D打印后材料一般存在的缺陷。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其制备工艺简单，所得产品组织均匀、机械强度高、摩擦系数低、磨损率小、稳定性高、耐磨和减摩性能优异。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)，粉料的选择：以旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以TiB₂、石墨烯碳纳米片或TiC粉为增强颗粒；

步骤(2)，混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照增强颗粒质量为混合粉总质量的0.5％～25％混合，放入V型搅拌机进行机械搅拌30min～60min；

步骤(3)，球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料进行干法球磨混粉，使增强相粉和Ti₂AlNb预合金粉充分混合，并且使得到的混合粉料的颗粒大小均匀；

步骤(4)，3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形，将绘制命令程序输入到3D打印机中，参数设置：激光功率为200～1100W，扫描速度为0.05～1m/min，脉冲电流60～220A；

步骤(5)，将步骤(3)处理后得到的混合粉料预铺在3D打印机的基板上，启动3D打印机，激光束按照预设程序扫描；

步骤(6)，完成步骤(5)预设扫描后，将升降工作台下降一定高度，保证离焦量不变，重复步骤(5)操作，层层累加制备出所需复合材料。

进一步地：

所述步骤(1)中，Ti₂AlNb预合金粉末的粒径为53μm～180μm。

所述步骤(1)中，增强颗粒TiB₂、TiC粉末的粒径为0.1μm～10μm；石墨烯碳纳米片层数为1～50层。

所述步骤(2)中，机械搅拌时，混合粉末置于真空或惰性气体氛围。

所述步骤(3)中，球磨混粉时球磨罐抽真空或充入惰性气体，球磨转速为300r/min～600r/min，球磨时间为12h～25h。

所述步骤(3)中，球料比为(3～20):1，所用研磨小球材质为不锈钢或氧化锆，研磨罐材质为不锈钢或氧化锆。

所述步骤(4)(5)(6)中，操作环境为真空或惰性气体氛围。

所述步骤(5)中，预设程序中激光束扫描方式为：第n层从左向右水平扫描，第n+1层扫描方向垂直于第n层扫描方向，第n+2层扫描方向与第n层扫描方向相反，第n+3层扫描方向与第n+1层扫描方向相反。

依据上述方法制备的3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料，其平均显微硬度为369.31HV～1676.21HV，平均摩擦系数为0.446～0.817，磨损率为2.896×10^-4mm³·N^-1·m^-1～5.113×10^-4mm³·N^-1·m^-1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用机械搅拌和干法球磨的方法将增强颗粒(TiB₂、石墨烯碳纳米片或TiC)与旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉混合，使用3D打印的激光熔化技术将混合粉固结成型，其制备过程简便，工艺流程短，成本低，通过本发明制备的制备方法，能够使增强颗粒均匀的分散在基体中，并且使增强颗粒与Ti₂AlNb基体能紧密结合，使制备出的增强体/Ti₂AlNb基复合材料内部应力缺陷减少、晶粒被细化、力学强度提升、显微硬度和摩擦磨损性能提高，平均显微硬度为369.31HV～1676.21HV，平均摩擦系数为0.446～0.817，磨损率为2.896×10^-4mm³·N^-1·m^-1～5.113×10^-4mm³·N^-1·m^-1。

由上述本发明一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料的制备方法的有益效果可知，本发明的增强体/Ti₂AlNb复合材料中，增强颗粒能均匀的分散在基体中并与Ti₂AlNb基体结合紧密，增强颗粒在激光熔化过程中会与基体Ti₂AlNb发生原位反应生成第二相，可在金属内部形成钉扎作用使凝结后材料结构致密，且增强相和第二相对机体共同作用产生细晶强化效果，消除3D打印后材料一般存在的缺陷，使得3D打印后的复合材料的质量稳定，结构均匀，性能优异，制备简便。本发明所制备的增强体/Ti₂AlNb基复合材料应力缺陷少且具有良好的力学性能和摩擦磨损性能。

附图说明

图1为本发明制备增强体/Ti₂AlNb复合材料的工艺流程图。

图2为本发明实施例1～6激光束熔化混合粉料的扫描方式。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更清楚的理解本发明中的技术方案，下面给出的实例是对本发明做具体阐述，需要指出的是以下实例只适用于对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分，不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参考图1，本发明一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以TiB₂、石墨烯碳纳米片或TiC粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照增强颗粒质量为混合粉总质量的0.5wt.％～25wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于真空或惰性气体氛围下进行机械搅拌30min～60min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入不锈钢或氧化锆材质的球磨罐中密封，其中球料比(3～20):1，抽真空或冲入惰性气体，后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，球磨转速为300r/min～600r/min，球磨时间为12h～25h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为200～1100W，扫描速度为0.05～1m/min，脉冲电流60～220A；

(5)将步骤(3)处理后得到的混合粉料预铺在3D打印机的基板上，启动3D打印机，激光束按照预设程序扫描：(见图2)第n层从左向右水平扫描，第n+1层为垂直于第n层，第n+2层为垂直于第n+1层且与第n层扫描方向相反，第n+3层为垂直于第n+2层且与第n+1层扫描方向的方式进行扫描；

(6)完成步骤(5)预设扫描后，将升降工作台下降一定高度，保证离焦量不变，重复步骤(5)操作，层层累加制备出所需复合材料。

本发明给出若干具体实施例如下。

实施例1

一种3D打印石墨烯/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以石墨烯纳米片为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照石墨烯(GNF)质量为石墨烯/Ti₂AlNb混合粉质量的0.5wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于真空氛围下进行机械搅拌40min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入不锈钢材质的球磨罐中密封，其中球料比10:1，抽真空后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为400r/min，球磨时间为16h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：φ15×20mm的圆柱体，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为260W，扫描速度为0.2m/min，脉冲电流100A；

(5)将步骤(3)处理后得到的混合粉料预铺在3D打印机的基板上，启动3D打印机，激光束按照预设程序扫描；

实施例2

一种3D打印TiC/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以TiC粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照TiC质量为TiC/Ti₂AlNb混合粉质量的2wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于氩气氛围下进行机械搅拌40min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入氧化锆材质的球磨罐中密封，其中球料比6:1，抽真空并冲入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为400r/min，球磨时间为15h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：46×30×10mm的长方体，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为220W，扫描速度为0.1m/min，脉冲电流100A；

实施例3

一种3D打印TiB₂/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以TiB₂、粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照TiB₂质量为TiB₂/Ti₂AlNb混合粉质量的10wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于真空氛围下进行机械搅拌30min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入不锈钢材质的球磨罐中密封，其中球料比3:1，抽真空后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为300r/min，球磨时间为12h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：10×10×10mm的正方体，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为200W，扫描速度为0.05m/min，脉冲电流60A；

实施例4

一种3D打印(TiB₂+石墨烯)/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以(TiB₂+石墨烯)混合粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照(TiB₂+石墨烯)质量为(TiB₂+石墨烯)/Ti₂AlNb混合粉质量的15wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于氩气氛围下进行机械搅拌60min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入氧化锆材质的球磨罐中密封，其中球料比10:1，抽真空并冲入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为450r/min，球磨时间为20h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：外径φ100mm内径φ80mm高10mm的圆环，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为500W，扫描速度为0.4m/min，脉冲电流150A；

实施例5

一种3D打印(TiC+石墨烯)/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以(TiC+石墨烯)混合粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照(TiC+石墨烯)质量为(TiC+石墨烯)/Ti₂AlNb混合粉质量的18wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于真空氛围下进行机械搅拌50min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入不锈钢材质的球磨罐中密封，其中球料比15:1，抽真空后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为500r/min，球磨时间为12h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：φ56mm的半球体，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为900W，扫描速度为0.8m/min，脉冲电流200A；

实施例6

一种3D打印(TiB₂+TiC+石墨烯)/Ti₂AlNb复合材料的制备方法，按照如下步骤进行：

(1)粉料的选择：选择旋转电极法制备的Ti₂AlNb球形预合金粉为基体，以(TiB₂+TiC+石墨烯)混合粉为增强颗粒；

(2)混合粉料预搅拌：将步骤(1)所选粉料按照(TiB₂+TiC+石墨烯)质量为(TiB₂+TiC+石墨烯)/Ti₂AlNb混合粉质量的25wt.％混合，放入V型搅拌机内，将V型搅拌机置于氩气氛围下进行机械搅拌60min；

(3)球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料放入不锈钢材质的球磨罐中密封，其中球料比20:1，抽真空并冲入氩气后将球磨罐放入行星式球磨机中，进行干法球磨混粉，定球磨转速为600r/min，球磨时间为25h；

(4)3D打印机的三维建模和参数设置：用计算机设计所需试样的三维图形：上直径φ40mm下直径φ86mm的圆台，将绘制命令程序输入到3D打印机中。参数设置：激光功率为1100W，扫描速度为1.0m/min，脉冲电流220A；

测试

实施例1～6制备得到的3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料的硬度和摩擦学性能如表1所示。

表1

实施例	显微硬度(HV)	平均摩擦系数	磨损率(×10<sup>-4</sup>·mm<sup>3</sup>·N<sup>-1</sup>·m<sup>-1</sup>)
				1	369.31	0.646	4.779
2	455.60	0.591	4.527
				3	550.14	0.446	3.228
4	708.73	0.525	2.896
				5	1391.25	0.661	3.610
6	1676.21	0.817	5.113

Claims

1.一种3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤(3)，球磨混粉：将步骤(2)处理后得到的预搅拌粉料进行干法球磨混粉，使添加相粉末和Ti₂AlNb预合金粉充分混合，并且使得到的混合粉料的颗粒大小均匀；

2.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，Ti₂AlNb预合金粉末的粒径为53μm～180μm。

3.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，增强颗粒TiB₂、TiC粉末的粒径为0.1μm～10μm；石墨烯碳纳米片层数为1～50层。

4.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，机械搅拌时，混合粉末置于真空或惰性气体氛围。

5.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，球磨混粉时球磨罐抽真空或充入惰性气体，球磨转速为300r/min～600r/min，球磨时间为12h～25h。

6.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，球料比为(3～20):1，所用研磨小球材质为不锈钢或氧化锆，研磨罐材质为不锈钢或氧化锆。

7.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(4)(5)(6)中，操作环境为真空或惰性气体氛围。

8.根据权利要求1所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，预设程序中激光束扫描方式为：第n层从左向右水平扫描，第n+1层扫描方向垂直于第n层扫描方向，第n+2层扫描方向与第n层扫描方向相反，第n+3层扫描方向与第n+1层扫描方向相反。

9.上述权利要求1～8任一方法制备的3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料。

10.根据权利要求9所述3D打印增强体/Ti₂AlNb基复合材料，其特征在于，其平均显微硬度为369.31HV～1676.21HV，平均摩擦系数为0.446～0.817，磨损率为2.896×10^-4mm³·N^-1·m^-1～5.113×10^-4mm³·N^-1·m^-1。