CN109943786A

CN109943786A - 一种基于选区激光熔化3d打印制备钛基纳米复合材料的方法

Info

Publication number: CN109943786A
Application number: CN201910374608.3A
Authority: CN
Inventors: 杨治华; 李海亮; 贾德昌; 蔡德龙; 金海泽; 牛波; 周玉
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2019-06-28

Abstract

一种基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，涉及一种制备钛基纳米复合材料的方法。目的是解决钛及钛基复合材料的切削加工性差的问题。制备：球磨制备复合粉末，复合粉末中B₄C粉末的含量为(0.5～1)wt％；利用选区激光熔化3D打印成形。本发明制备的复合材料质量轻，热力学稳定性高，强度高且耐磨性好，成形过程无需工装夹具或模具，易于实现“近净成形”，可以在短时间内大量制备，原材料来源广泛。制备的复合材料基体晶粒显著细化，原位生成的完全纳米级TiB晶须呈弥散状分布在基体晶粒边界，对复合材料起到了明显的强化效果，力学性能显著提升。本发明适用于3D打印制备钛基纳米复合材料。

Description

一种基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种制备钛基纳米复合材料的方法。

背景技术

近年来，随着新型航空航天装备对钛基产品性能需求的不断提升，在设计中更加注重采用复杂整体结构件和精密复杂结构件，其制造技术朝着结构轻量化、快速、低成本和绿色先进制造方向发展，并向数字化、信息化和智能化方向发展。3D打印技术作为近年来快速兴起的增材制造技术，其突出优势在于：零件开发周期短，无需模具和复杂后处理工艺，可直接制成近终端甚至终端制件，成形精度高。

钛基复合材料是以钛或钛合金为基体，在其中外加或通过物质间的化学反应原位生成陶瓷增强相而获得的一种复合材料，钛基复合材料将金属的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量有效结合起来，其中原位合成钛基复合材料具有比强度高、界面结合性能好、热力学稳定性高、耐磨性好、高温耐久性等一系列优势，在航空航天等领域的关键部件上具有广泛的应用前景。

现有的钛基复合材料多采用铸造法、反应热压法、燃烧合成法和机械合金化法等传统的原位制造技术制备得到；钛及钛基复合材料由于切削温度高、导热系数低和高温时化学活性高，使得切削粘刀现象严重，容易加剧刀具磨损甚至破损，因此，钛及钛基复合材料的切削加工性较差，使得复杂整体结构件和精密复杂结构件的制造尤其困难，因此，传统的铸造法、反应热压法、燃烧合成法和机械合金化法等原位制造技术已无法满足越来越多的异形结构的设计和制造要求。虽然3D打印技术在近年来快速兴起，但是在钛基纳米复合材料制备中较少应用。

发明内容

本发明为了解决由于钛及钛基复合材料的切削加工性差，现有的铸造法、反应热压法、燃烧合成法和机械合金化法等无法满足复杂整体结构和精密复杂结构的钛基复合材料的制造的问题，提出一种基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法。

本发明基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、复合粉末的球磨制备：称取B₄C粉末和球形钛合金粉末，进行球磨混合，得到复合粉末；所述复合粉末中B₄C粉末的含量为(0.5～1)wt％；

二、选区激光熔化3D打印成形：将真空干燥处理后的复合粉末置于选区激光熔化3D打印设备的送粉缸中，关闭舱门，将工作舱室充满高纯氩气进行惰性气体保护，将STL格式的三维数模文件导入3D打印设备的控制电脑中，设置成形参数，进行打印，即完成。

进一步的，步骤一所述球形钛合金粉末的粒径为15～53μm，B₄C的粒径为1～3μm。合金粉末粒径与SLM铺粉和工艺特点相关联的，球形钛合金粉末的粒径为15～53μm，粒径大小级配合适，在SLM铺粉层厚为30～60μm条件下，铺粉过程中填充度高；并且此粒径范围与电子束选区激光熔化技术(45～105μm)和激光熔化沉积技术(50～150μm)相比，粒径范围较小，能够提高成形精度。B₄C的粒径为1～3μm，粒径很小，易于在球磨过程中充分附着在球形钛合金颗粒表面，同时不影响复合粉末的整体流动性，保证铺粉过程顺利进行。

进一步的，步骤一所述B₄C粉末和球形钛合金粉末进行球磨混合前在充满氩气保护的手套箱中的进行球磨罐的灌装和球磨罐的密封。氩气作为惰性保护气体，可有效防止球磨过程中钛合金粉表面的氧化。

进一步的，步骤一所述进行球磨混合时采用的不锈钢磨球直径为6～10mm，球料比为(2～10)：1，采用的球磨机为可变速率比行星式球磨机，球磨机的主盘转速为100～200r/min，行星盘转速为-200～-400r/min，正反转间隔时间为10～30min，球磨时间为3～15h。

进一步的，在步骤二选区激光熔化3D打印成形前还包括复合粉末的真空干燥处理过程；干燥温度为80℃，干燥时间为18～24h。

进一步的，步骤二所述成形参数包括扫描策略、铺粉层厚、激光功率、激光扫描速率和扫描间距。

进一步的，步骤二所述铺粉层厚为30～60μm；激光功率为180～320W；激光扫描速率为600～1500mm/s；扫描间距为60～120μm。该工艺条件下能够保证成形过程稳定和成形块体无宏观裂纹。

进一步的，步骤二所述扫描策略为之字形扫描、单向扫描或倾斜分区扫描，相邻层之间旋转0～90°。图4为本发明中之字形扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；图5为本发明中单向扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；图6为本发明中倾斜分区扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；

本发明原理及有益效果：

1、本发明制备的复合材料中的纳米级陶瓷增强相为TiB晶须，TiB晶须密度4.51g/cm³，与Ti的密度(4.50g/cm³)十分接近，与其他增强相(如TiC，密度为4.93g/cm³)相比是较轻的增强相，可以在强化的同时不增重，因此制备的钛基纳米复合材料的质量轻。由于TiB晶须是通过原位反应生成，因此与Ti基体界面结合好，制备的钛基纳米复合材料的热力学稳定性高、强度高且耐磨性好；由于TiB晶须弥散分布，钛基复合材料的力学性能较钛合金基体有明显提升，如引入0.5wt％B₄C时，钛基复合材料的真实压缩强度和显微维氏硬度分别达1535MPa和458HV_0.5，比钛合金基体的1384MPa和375HV_0.5有明显提升。

2、本发明采用的选区激光熔化3D打印技术激光束光斑直径小，成形精度高，光纤激光器热源能量密度大，其快速熔化/凝固的特征可获得微观结构细化的钛基纳米复合材料，并为产品的个性化定制和轻量化设计提供了新的途径。本方法所用的选区激光熔化3D打印技术突破了传统的材料变形成形和去除成形的思路，不需要切削加工，成形过程无需工装夹具或模具的支持，实现性能优异的复杂整体结构和精密复杂结构的直接成形，具有成形灵活性以及节约时间和成本等优势，易于实现“近净成形”的材料加工新理念，特别适于制造具有复杂结构的金属零件，以满足航空、航天及生物医学等领域的需求，有望推动其工业化应用。

3、本发明复合粉末通过球磨混粉工艺获得，可以在短时间内大量制备，原材料为常规材料，来源广泛。

需要说明的是，本发明中引入的原料B₄C含量≤1wt％，通过优化的球磨混粉工艺，使得混合粉末中超细的B₄C粉体均匀镶嵌在大尺寸的球形TC4颗粒表面，对激光吸收率影响很小，SLM过程稳定，B₄C仅与极少量的Ti发生反应生成TiB，最终得到的钛基复合材料中TC4基体的含量＞95vol％，TiB增强相的含量＜5vol％，属于陶瓷增强金属基复合材料范畴。已有文献已经公开了粉末冶金用复合粉末球磨混粉的方法，该方法采用粒度为100～200μm的球形钛或钛合金粉与微米级的TiB₂或C粉进行球磨混合，最终通过反应热压烧结得到TiB或TiC增强相呈准连续网状结构分布在钛基体大颗粒周围的复合材料。该方法与本申请技术方案的目的明显不同，该方法采用球磨混粉工艺是为了实现陶瓷增强相在钛基体大颗粒周围呈准连续网状分布，进而提升钛基复合材料的塑性指标。而本申请技术方案中采用球磨混粉工艺是为了既能得到钛或钛合金粉与增强体的均匀混合，同时又不影响到球形钛或钛合金粉的球形形貌和流动性，进而有效保证复合粉末在SLM成形过程中能够顺利铺粉，减少成形缺陷。

附图说明：

图1为实施例中制备的复合粉末的扫描电子显微镜形貌图；

图2为实施例中制备的复合粉末的粒度分布图；

图3为实施例中制备的钛基纳米复合材料的微观组织形貌图；

图4为本发明中之字形扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；

图5为本发明中单向扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；

图6为本发明中倾斜分区扫描策略示意图，图中箭头代表扫描路径；

图7为实施例中之字形扫描策略示意图，相邻层之间旋转90°，图中箭头代表扫描路径。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本实施例基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法按照以下步骤进行：

一、复合粉末的球磨制备：称取B₄C粉末和球形钛合金粉末，进行球磨混合，得到复合粉末；并对复合粉末进行真空干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为12h；

所述球形钛合金粉末的粒径为15～53μm，B₄C的粒径为1～3μm；复合粉末中B₄C粉末的含量为0.5wt％；

所述B₄C粉末和球形钛合金粉末进行球磨混合前在充满氩气保护的手套箱中的进行球磨罐的灌装和球磨罐的密封；进行球磨混合时采用的不锈钢磨球直径为6mm，球料比为5：1，采用的球磨机为可变速率比行星式球磨机，球磨机的主盘转速为100r/min，行星盘转速为-200/min，正反转间隔时间为20min，球磨时间为5h；其中行星盘转速-200r/min代表行星盘与主盘转动方向相反，转速为200r/min；

球形钛合金粉经过球磨后仍保持原始粉的球形形态，B₄C粉在球形钛合金粉末表面均匀分布，且细小的B₄C粉均匀地嵌入到球形钛合金粉末的表面，球磨混合既使得两种粉末混合均匀，又保留了原基体粉末的流动性，有利于后续选区激光熔化3D打印过程中铺粉的顺利进行；球磨得到的复合粉末的中值粒径约为30μm；图1为制备的复合粉末的扫描电子显微镜形貌图；图1可以看出，球磨制备的复合粉末基本保留了原钛或钛合金粉末的球形形貌，因此具备优异的流动性，有利于后续SLM成形过程中铺粉的顺利进行。图2为制备的复合粉末的粒度分布图；图2可以看出，球磨制备的复合粉末粒度分布呈现高斯分布，基本保留了原钛或钛合金粉末的粒度分布特征，符合SLM对成形粉末的粒度要求。

选区激光熔化3D打印后得到了致密无裂纹的钛基纳米复合材料块体，基体晶粒明显细化，原位反应生成了完全纳米级的陶瓷增强相，即TiB晶须，TiB晶须主要呈弥散状分布在基体晶粒边界处，对复合材料起到了明显的强化效果，所得钛基纳米复合材料的显微维氏硬度显著提高。

所述成形参数包括扫描策略、铺粉层厚、激光功率、激光扫描速率和扫描间距。所述铺粉层厚为40μm，激光功率为260W，激光扫描速率为900mm/s，扫描间距为60μm；所述扫描策略为之字形扫描，相邻层之间旋转90°。

图3为实施例制备的钛基纳米复合材料的微观组织形貌图。图3可以看出，选区激光熔化3D打印制备的钛基纳米复合材料基体晶粒明显细化，原位反应生成了完全纳米级的陶瓷增强相，即TiB晶须，TiB晶须主要呈弥散状分布在基体晶粒边界处。

Claims

1.一种基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：

一、复合粉末的球磨制备：称取B₄C粉末和球形钛合金粉末，进行球磨混合，得到复合粉末；

所述复合粉末中B₄C粉末的含量为(0.5～1)wt％；

2.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述球形钛合金粉末的粒径为15～53μm，B₄C的粒径为1～3μm。

3.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述B₄C粉末和球形钛合金粉末进行球磨混合前在充满氩气保护的手套箱中的进行球磨罐的灌装和球磨罐的密封。

4.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述进行球磨混合时采用的不锈钢磨球直径为6～10mm，球料比为(2～10)：1，采用的球磨机为可变速率比行星式球磨机，球磨机的主盘转速为100～200r/min，行星盘转速为-200～-400r/min，正反转间隔时间为10～30min，球磨时间为3～15h。

5.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：在步骤二选区激光熔化3D打印成形前还包括复合粉末的真空干燥处理过程；干燥温度为70～100℃，干燥时间为10～24h。

6.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤二所述成形参数包括扫描策略、铺粉层厚、激光功率、激光扫描速率和扫描间距。

7.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤二所述铺粉层厚为30～60μm；激光功率为180～320W；激光扫描速率为600～1500mm/s；扫描间距为60～120μm。

8.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化3D打印制备钛基纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤二所述扫描策略为之字形扫描、单向扫描或倾斜分区扫描，相邻层之间旋转0～90°。