CN111270106A - 一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法；热处理工艺包括：CoCrWMo零件由选区激光熔化成形后，进行固溶处理，具体是将所述零件在1180～1200℃保温1～2h，进行水冷；对已固溶处理的选区激光熔化成形CoCrWMo合金进行时效处理，具体是730～760℃保温10～12h，最后进行空冷。该热处理后的激光选区熔化成形CoCrWMo合金具有优异的综合力学性能，室温下抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥800Mpa，显微硬度≥420HV，断后延伸率≥10％，在兼顾断后伸长率的同时显著提高强度及硬度，远高于该合金沉积态水平。

Description

一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理 方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法。
背景技术
钴铬合金由于其优良的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和生物相容性及金瓷结合性，广泛应用于生物医疗领域。激光选区熔化成形作为一种新型增材制造技术，具有制造精度高、工艺简单可成形结构复杂的零件等优点，从而满足医疗植入体的定制化要求，具有很大的临床应用前景。
众所周知，金属植入件应用在临床上除了需要满足生物医用的安全性以外，必须要有一定的强度、硬度，使植入件具有良好的使用寿命。而目前采用激光选区熔化成形的零件无法实现全致密，且成形过程中由于快速的加热和冷却，残余应力较高，影响其力学性能。
根据钴铬合金的相图，合金在升温过程中会发生HCP相向FCC相的转变，而室温下的热力学稳定相为HCP相，显然，在快速冷却速度下由FCC向HCP 转变十分困难。所以，在大多数钴铬合金中，FCC亚稳相在室温下占据优势，而HCP结构增加会使材料的强度硬度提高、磨损率降低，延长植入体的使用寿命。因此，激光选区熔化成形的CoCrWMo医用金属零件需要一种简单有效的热处理方法来减轻残余应力和改善组织，在保证断后延伸率符合医用标准的情况下，达到进一步强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，克服目前激光选区熔化成形的零件无法实现全致密，且成形过程中由于快速的加热和冷却，残余应力较高，力学性能插等缺陷。
本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法：
CoCrWMo合金由选区激光熔化成形后，进行固溶处理；固溶处理是将该 CoCrWMo合金在1180～1200℃保温1～2h，进行水冷；然后对已固溶处理的 CoCrWMo合金进行时效处理；时效处理是在730～760℃保温10～12h，最后进行空冷。
所述选区激光熔化过程中CoCrWMo合金粉末由以下重量百分比的组分组成：
Cr：22～30％；
W：5～10％；
Mo：4～10％
Si：≤1.5％
C：<0.02％
其余为Co。
上述固溶处理过程中，以8～10℃/min的升温速率升到1180～1200℃；时效处理过程中，以8～10℃/min的升温速率升到730～760℃。
上述CoCrWMo合金粉末的粒径为15～45μm。
上述选区激光熔化过程中，激光功率260～300W，扫描速度700～900 mm/s，扫描间距0.8～0.1mm，铺粉层厚0.025～0.035mm；扫描策略为旋转扫描法。
上述选区激光熔化过程，全程使用氩气或氮气作保护气氛，氧含量小于0.3％。
上述选区激光熔化成形的CoCrWMo合金，在热处理前先采用石英管进行真空封管，避免在高温下与空气接触发生氧化。真空封管包括：抽真空、充氩气密封。
CoCrWMo合金，在热处理后，其组织中ε马氏体(HCP相)含量大于 75％，并析出少量均匀细小的碳化物。
经过热处理后的CoCrWMo合金，在室温下抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥800Mpa，显微硬度≥420HV，断后延伸率≥10％。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供的激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法将固溶处理和时效处理相结合，工艺简单，采用真空封管热处理，使用普通箱式炉即可实现真空热处理，避免样品氧化污染，且此易操作，可单独水淬。
(2)本发明提供的热处理方法，可以通过控制热处理温度与时间来达到控制合金组织中的ε马氏体(HCP相)及碳化物含量，从而得到综合性能优异的CoCrWMo医用合金。
(3)激光选区熔化成形CoCrWMo合金经过上述热处理后，与沉积态合金相比，显著提高其强度、硬度(抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥800Mpa，显微硬度≥420HV)，同时拥有较好的断后延伸率≥10％)。
附图说明
图1为本发明实施案例中激光选区熔化成形的CoCrWMo合金上表面 SEM图。
图2为本发明实施案例中激光选区熔化成形的CoCrWMo合金经热处理后上表面SEM图。
图3为本发明实施案例中激光选区熔化成形的CoCrWMo合金热处理前后的XRD图。
图4为激光选区熔化成形的CoCrWMo合金热处理前后试样中ε相所占比例的柱状图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明公开了一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法。具体如下。
采用激光选区熔化成形CoCrWMo合金，成形粉末粒径为15～45μm， 其中，所述CoCrWMo合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Cr：24.12％， W：5.45％，Mo：4.95％，Si：0.92％，C：<0.02％，其余为Co。
其中，所述的激光选区熔化成形CoCrWMo合金成形时激光功率260～300 W，扫描速度700～900mm/s，扫描间距0.8～0.1mm，铺粉层厚0.025～0.035mm。扫描策略为旋转扫描法(旋转角度为15°)。
其中，所述的激光选区熔化成形全程使用氩气或氮气作保护气氛，并保证氧含量小于0.3％。
所述激光选区熔化成形的CoCrWMo合金上表面具有如图1所示的显微组织，有明显的熔道，由胞状晶和柱状晶组成。
在热处理前先进行真空封管，包括抽真空、充氩气密封两个步骤，避免合金在高温下与空气接触发生氧化。
其中，封管材料为石英管。
对上述激光选区熔化成形的CoCrWMo合金进行热处理，包括依次进行以下步骤：
步骤一：对选区激光熔化成形的CoCrWMo合金进行固溶处理，具体为：将所述零件以10℃/min的升温速率升到1200℃，并在1200℃保温1h，最后进行水冷；
步骤二：对已固溶处理的选区激光熔化成形CoCrWMo合金进行时效处理，具体为：以10℃/min的升温速率升到750℃，并在750℃保温10h，最后进行空冷。
所述激光选区熔化成形的CoCrWMo合金经上述热处理后上表面具有如图2所示的显微组织，沉积态的熔道及胞状晶与柱状晶特征消失，出现具有不同取向、交叉叠加的晶间条纹ε马氏体(HCP相)和少量细小的白色碳化物，达到强化基体的作用。
对未热处理的沉积态试样及固溶加时效热处理后的试样进行XRD分析 (如图3所示)，并利用I(1011)HCP/(I(1011)HCP+1.5I(200)FCC)的值来表征CoCrWMo 合金中ε相所占比例，结果详见图4。
对未热处理的沉积态试样及固溶加时效热处理后的试样进行力学性能测试，结果详见表1，经适当的固溶处理之后激光选区熔化成形的CoCrWMo合试样得到了进一步强化。
表1
Figure RE-GDA0002473049660000051
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明热处理后的激光选区熔化成形CoCrWMo合金，具有优异的综合力学性能，室温下抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥800Mpa，显微硬度≥ 420HV，断后延伸率≥10％，在兼顾断后伸长率的同时显著提高强度及硬度，远高于该合金沉积态水平。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：
CoCrWMo合金由选区激光熔化成形后，进行固溶处理；固溶处理是将该CoCrWMo合金在1180～1200℃保温1～2h，进行水冷；然后对已固溶处理的CoCrWMo合金进行时效处理；时效处理是在730～760℃保温10～12h，最后进行空冷。
2.根据权利要求1所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：所述选区激光熔化过程中CoCrWMo合金粉末由以下重量百分比的组分组成：
Cr：22～30％；
W：5～10％；
Mo：4～10％
Si：≤1.5％
C：<0.02％
其余为Co。
3.根据权利要求2所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：固溶处理过程中，以8～10℃/min的升温速率升到1180～1200℃；时效处理过程中，以8～10℃/min的升温速率升到730～760℃。
4.根据权利要求3所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：所述CoCrWMo合金粉末的粒径为15～45μm。
5.根据权利要求3所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：选区激光熔化过程中，激光功率260～300W，扫描速度700～900mm/s，扫描间距0.8～0.1mm，铺粉层厚0.025～0.035mm。
6.根据权利要求3所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：选区激光熔化过程，全程使用氩气或氮气作保护气氛，氧含量小于0.3％。
7.根据权利要求3所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：选区激光熔化成形的CoCrWMo合金，在热处理前先采用石英管进行真空封管，避免在高温下与空气接触发生氧化。
8.根据权利要求7所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：所述真空封管包括：抽真空、充氩气密封。
9.根据权利要求5所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：CoCrWMo合金，在热处理后，其组织中ε马氏体含量大于75％。
10.根据权利要求5所述适用于强化激光选区熔化成形CoCrWMo合金的热处理方法，其特征在于：经过热处理后的CoCrWMo合金，在室温下抗拉强度≥1060MPa，屈服强度≥800Mpa，显微硬度≥420HV，断后延伸率≥10％。
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