CN110369724A - 一种高强度多孔结构钛合金零件的3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，属于3D打印材料设计与制备领域。其特征在于多孔结构钛合金零件由多个菱形十二面体基本单元叠加而成，所述基本单元的内部镂空，体对角线方向分别设置4条加固支架，金属框架采用激光3D打印技术成型，相邻两个基本单元共用一面。本发明所得的多孔材料孔径尺寸小，可通过调控基本单元维度参数控制孔隙率；在相同孔隙率条件下，产品的屈服强度和抗扭强度均高于常规3D打印多孔材料。

Description

一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法
技术领域
本发明属于3D打印材料设计与制备领域，具体涉及一种高强度、轻质量多孔钛合金零件。
背景技术
多孔钛合金是当前材料学领域的一种新型的结构材料，多孔结构可以在较轻的重量下有效的发挥其力学性能与结构特性。与实体材料相比，这种特殊的轻质材料具有优异的强度、刚度和良好的可压缩性。得益于大量的内部孔隙，多孔钛合金表现出诸多特性，如比表面积大、渗透性强、机械性能优异、加工性好等，使其应用已扩展到化工、电子、医用材料及生物工程领域。多孔钛具有良好的耐腐蚀性、生物相容性和与人骨相匹配的力学性能，材料的开孔结构可以促进新骨组织的生长，因此被广泛的用作仿骨植入件。随着科学技术的发展以及学科交叉的深入，多孔钛合金不再仅仅是一种结构材料，其独特的结构使其成为一种性能优异的多用途功能材料，具有更广泛的应用前景。
多孔钛合金的传统制造方法有粉末直接烧结法、沉积法、粉浆发泡法、空心球烧结法和气体卷入技术,这些制造方法普遍存在孔隙结构不能精确控制、内部孔隙连通率差等问题。随着应用领域的拓宽和应用环境要求的提高，高度复杂形状和精密尺度的多孔钛合金需求度逐渐增加，通过传统加工制造方法已经难以达到产品的质量要求。激光3D打印技术改变了传统制造的理念和模式，在制备具有复杂、多孔和个性化的金属零件方面具有较大优势。目前市面上各种3D打印多孔钛，其多孔结构均以体心立方、密排六方、正八面体、圆柱体、圆锥体为基本单元简单阵列叠加而成，这些结构存在孔隙率低、等效孔径过大等不足，而且在多孔材料曲面上存在孔隙分布不均匀的现象，影响材料的综合力学性能。
发明内容
针对现有多孔钛的缺陷问题，本发明的目的是提出一种高孔隙率高强度的多孔钛合金零件结构，设计高强度多孔钛合金的3D打印制备方法。采用激光3D打印工艺制备材料，所得产品的孔隙率高，等效孔径可以控制在800μm以下，且在相同孔隙率的条件下，其所得产品的屈服强度和抗扭强度远远优于现有产品。
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于：多孔结构钛合金零件由多个菱形十二面体基本单元叠加而成，所述基本单元为棱柱为金属粉末烧结而成的立方体或六棱柱实体、其余部分镂空的金属框架；框架内部的不同取向体对角线方向分别设置4条加固支架；金属框架采用激光3D打印技术成型，相邻两个基本单元共用一面。
进一步地，所述激光3D打印的条件参数为：粉末预热温度范围450～900℃；激光功率范围150～300W；扫描速率100～900mm/s，；扫描间距30～150μm，；粉末单层厚度20～100μm。
进一步地，所述激光3D打印的条件参数优选为：粉末预热温度范围为500～750℃；激光功率范围为200～260W；扫描速率为200～600mm/s；扫描间距为50～100μm；粉末单层厚度为30～80μm。
进一步地，所述立方体金属柱的长度为0.5～2.5mm；宽度和厚度相同，为0.1～0.5mm；六棱柱的高度为1～3mm；底面边长为0.1～0.3mm。
进一步地，立方体金属柱的优选条件是：长度为0.5～1.5mm；宽度和厚度相同，为0.1～0.3mm；六棱柱的高度为1～3mm；底面边长为0.1～0.3mm。
进一步地，所述加固支架，其中三条分别与菱形十二面体蜂巢截面的对应顶点相交，顶点取自两个不同截面；另一条与蜂巢截面垂直方向的两顶点相交。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的一种高孔隙率、高强度多孔钛合金零件3D打印制备方法，在坚固的菱形十二面体结构上进行优化，获得孔隙均匀、综合力学性能优异的多孔钛合金零件。在相同的孔隙率条件下，所得材料的屈服强度和抗扭强度均高于常规3D打印多孔材料。本发明可根据实际需求调节基本单元框架尺寸，从而获得不同孔隙率和不同等效孔径的钛合金零件；能够通过多尺度调控基本单元内部加固支架结构控制材料的力学性能。
本发明所制备多孔钛合金零件，可应用于生物医疗、能源、电子及化学工业方面的多孔材料。本发明通过激光3D打印直接成型，避免了模具的使用，降低了材料生产成本，同时还能制备出结构复杂、尺寸精密的多孔功能材料。
附图说明
附图1为本发明实施例1高强度多孔钛合金的孔隙结构单元示意图；附图2为本发明实施例2高强度多孔钛合金的孔隙结构单元示意图；附图3为本发明实施例2高强度多孔钛合金的基本单元堆砌结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，多孔结构钛合金零件的孔隙结构单元如图1所示，本实施例为高强度多孔TC4钛合金材料，所述孔隙结构由呈菱形十二面体结构的基本单元组合构成；每个基本单元均由24条长度相同的立方体钛合金柱连接构成，钛柱相互之间的锐角为70.5度，钝角为109.5度；钛柱的长度为2mm，宽度和厚度相同为0.3mm。激光功率250W，粉末预热温度范围600℃；扫描速率500mm/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例2
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，多孔结构钛合金零件的孔隙结构单元如图2所示，本实施例为高强度多孔TC4钛合金材料，所述孔隙结构由呈菱形十二面体结构的基本单元组合构成；每个基本单元均由24条长度相同的立方体钛合金柱和4条不同取向的体对角线加固支架连接构成，钛柱相互之间的锐角为70.5度，钝角为109.5度；钛柱的长度为2mm，宽度和厚度相同为0.3mm。所述加固支架为六棱柱钛合金柱，其中三条分别与菱形十二面体蜂巢截面的对应顶点相交，顶点取自两个不同截面；另一条与蜂巢截面垂直方向的两顶点相交。激光功率250W，粉末预热温度范围600℃；扫描速率500mm/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例3
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，本实施例为高强度多孔纯钛，多孔结构钛合金零件的孔隙结构由呈菱形十二面体结构的基本单元组合构成；每个基本单元均由24条长度相同的立方体钛柱和4条不同取向的体对角线加固支架连接构成，十二面体棱柱相互之间的锐角为70.5度，钝角为109.5度；钛柱的长度为1mm，宽度和厚度相同为0.1mm。所述加固支架亦为立方体钛柱，其中三条分别与菱形十二面体蜂巢截面的对应顶点相交，顶点取自两个不同截面；另一条与蜂巢截面垂直方向的两顶点相交。激光功率250W，粉末预热温度范围600℃；扫描速率500mm/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例4
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，本实施例为高强度多孔纯钛，多孔结构钛合金零件的孔隙结构由呈菱形十二面体结构的基本单元组合构成；每个基本单元均由24条长度相同的立方体钛柱构成，钛柱相互之间的锐角为70.5度，钝角为109.5度；钛柱的长度为1.5mm，宽度和厚度相同为0.2mm。激光功率200W，粉末预热温度范围650℃；扫描速率500mm/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例5
一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法，本实施例为高强度多孔TC4钛合金材料，多孔结构钛合金零件的孔隙结构由呈菱形十二面体结构的基本单元组合构成；每个基本单元均由24条长度相同的立方体钛合金柱和4条不同取向的体对角线加固支架连接构成，钛柱相互之间的锐角为70.5度，钝角为109.5度；钛柱的长度为3mm，宽度和厚度相同为0.5mm。所述加固支架为六棱柱钛合金柱，其中三条分别与菱形十二面体蜂巢截面的对应顶点相交，顶点取自两个不同截面；另一条与蜂巢截面垂直方向的两顶点相交。激光功率250W，粉末预热温度范围600℃；扫描速率500mm/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，但在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于：多孔结构钛合金零件由多个菱形十二面体基本单元叠加而成，所述基本单元为棱柱为金属粉末烧结而成的立方体或六棱柱实体、其余部分镂空的金属框架；框架内部的不同取向体对角线方向分别设置4条加固支架；金属框架采用激光3D打印技术成型，相邻两个基本单元共用一面。
2.根据权利要求1所述的高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于，激光3D打印的条件参数为：粉末预热温度范围450～900℃；激光功率范围150～300W，扫描速率100～900mm/s，扫描间距30～150μm；粉末单层厚度20～100μm。
3.根据权利要求1或2所述的高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于，激光3D打印的条件参数为：粉末预热温度范围为500～750℃；激光功率范围为200～260W，扫描速率为200～600mm/s，扫描间距为50～100μm；粉末单层厚度为30～80μm。
4.根据权利要求1所述的高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于，立方体金属柱的长度为0.5～2.5mm；宽度和厚度相同，为0.1～0.5mm；六棱柱的高度为1～3mm；底面边长为0.1～0.3mm。
5.根据权利要求1或4所述的高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于，立方体金属柱的长度为0.5～1.5mm；宽度和厚度相同，为0.1～0.3mm；六棱柱的高度为1～3mm；底面边长为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的高强度多孔结构钛合金零件的3D打印制备方法；其特征在于，所述加固支架，其中三条分别与菱形十二面体蜂巢截面的对应顶点相交，顶点取自两个不同截面；另一条与蜂巢截面垂直方向的两顶点相交。
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