CN111360276A

CN111360276A - 一种tc4高氧粉末改性后用于3d打印原料的方法

Info

Publication number: CN111360276A
Application number: CN202010214113.7A
Authority: CN
Inventors: 孙继锋; 杨良良; 杨旗; 吴文恒
Original assignee: Shanghai Institute of Materials
Current assignee: Shanghai Institute of Materials
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2020-07-03

Abstract

本发明涉及一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法。将稀土Y元素引入高氧TC4钛合金粉末中形成TC4‑Y粉末，经处理后供选区激光熔化(SLM)打印使用。引入方式包括：将含稀土Y粉末与TC4粉末均匀混合后经模压‑真空烧结或热等静压制备成电极棒，然后经感应熔炼气体雾化制备成TC4‑Y预合金粉；或者，将稀土Y单质粉与TC4粉末球磨混合得到TC4‑Y混合粉。采用本发明方法制备的改性高氧TC4粉末具有良好的3D打印工艺特性和力学性能，具有很好的推广应用前景。

Description

一种TC4高氧粉末改性后用于3D打印原料的方法

技术领域

本发明涉及钛合金3D打印粉体材料领域，尤其是涉及一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法。

背景技术

TC4(Ti-6Al-4V)粉末是目前金属3D打印领域应用最广泛的钛合金粉末，采用SLM技术打印的TC4零件已经用于航空和生物领域，国际上也已经形成相应的标准ASTM F2924。

通常来讲，氧对钛合金的塑性影响很大。对TC4来讲，氧含量增加会使塑性急剧下降。因此，ASTM F2924中规定用于3D打印的粉末氧含量≤0.20％。但是，在实际打印过程中，由于打印环境等因素粉末不断增氧(>0.20％)，打印过程中出现开裂的风险增加，打印后材料塑性低。另外，采用雾化工艺制备的TC4粉末在存储过程中也可能出现增氧。一旦发生氧含量过高，如何在3D打印中利用这些高氧的TC4粉末目前还没有相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种TC4高氧粉末改性后重新用作3D打印原料的方法。

本发明提供一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，将稀土Y元素引入高氧TC4钛合金粉末中形成TC4-Y粉末，TC4-Y粉末经处理后供选区激光熔化(SLM)打印使用。

本发明的目的可以通过以下两种技术方案来实现：

方案一：

将高氧TC4粉与粒径小于45μm的稀土Y单质或YH₂粉末均匀混合，采用模压-真空烧结或热等静压方法制成电极棒，然后经电极感应熔炼气体雾化制备成TC4-Y预合金粉。

所述TC4原料粉末氧含量0.2-0.3wt.％，粉末粒径<150μm；

所述稀土加入量为混合粉末总重量的0.05-0.4wt.％，优选地稀土加入量为4×(Owt.％-0.2％)，其中O wt.％为氧含量。

方案二：

将粒径15-53μm的高氧TC4粉与粒径小于45μm的稀土Y单质粉末在球磨机内均匀混合得到TC4-Y混合粉，筛分后15-53μm细粉即可用作SLM打印原料。球磨混合时通入Ar保护。

所述TC4原料粉末氧含量0.2-0.3wt.％；

上述稀土改性TC4-Y高氧钛粉具有良好的3D打印工艺特性和力学性能。选区激光熔化(SLM)打印过程中，材料不开裂；打印材料经退火处理后，屈服强度>825MPa，抗拉强度>895MPa，延伸率>10％，满足ASTM F2924要求。

本发明所述TC4-Y改性粉末的原料选择或成分设计理由如下：

氧：是间隙固溶强化元素，含量过高则降低钛合金塑性。在本发明中，原料粉末中0.2％≤O≤0.3％，低于0.2％则属于常规钛合金粉末，不属于本专利要解决的技术问题；高于0.30％，则需要提高稀土加入量以固定更多的氧，相应形成的稀土氧化物含量高，打印材料的塑性低。

稀土Y：与原料中固溶氧结合，恢复TC4基体塑性。根据Y₂O₃的化学式，1份重量的氧需要约4份重量的Y来固定，但考虑到氧对TC4基体的固溶强化作用，因此加入Y的量仅固定部分氧，优选地稀土加入量为4×(O wt.％-0.2％)。Y加入后，在3D打印过程中形成Y₂O₃颗粒，含量太高则影响打印材料的塑性。因此，粉末中稀土含量0.05-0.4wt.％。

本发明的有益效果如下：通过在高氧TC4粉末中添加少量的Y可以使得粉末重新用于3D打印，也就是说粉末对氧的容忍度增加。粉末氧含量达0.3wt.％时SLM打印样品依然具有良好的塑性(>10％)。

附图说明

图1为实施例1中气雾化TC4-0.05Y细粉形貌

图2为实施例2中气雾化TC4-0.2Y细粉断面组织

图3为实施例3中SLM打印样品的拉伸断口形貌

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

将气雾化TC4粉末(<150μm，氧含量0.21wt.％)与YH₂粉末(<30μm)均匀混合，YH₂加入量为总重量的0.05％。混合粉末装入钢制包套，振实、400℃除气4小时，然后在950℃、压力120MPa下热等静压3小时制成TC4钛合金棒坯。棒坯经加工后采用电极感应熔炼气体雾化制粉，筛选出15～53μm内粉末进行检测和SLM打印。

图1为气雾化TC4-0.05Y粉末筛分后的细粉，粉末球形度好。采用化学法测定TC4-0.05Y粉末的化学成分，氧含量0.22％，Y含量为0.04％。细粉经SLM打印并950℃退火处理后的材料力学性能如下：屈服强度852MPa，抗拉强度933MPa，延伸率14％。

实施例2：

将气雾化TC4粉末(<150μm，氧含量0.28wt.％)与Y粉末(<45μm)均匀混合，Y加入量为总重量的0.4％。混合粉末装入钢制包套，振实、400℃除气4小时，然后在950℃、压力120MPa下热等静压3小时制成钛合金棒坯。棒坯经加工后采用电极感应熔炼气体雾化制粉，筛选出15～53μm内粉末进行检测和SLM打印。

采用化学法测定TC4-0.4Y粉末的化学成分，氧含量0.30％，Y含量为0.39％。图2为TC4-0.4Y粉末断面组织，可见沿晶界分布着细小白色的稀土氧化物颗粒。细粉经SLM打印并950℃退火处理后的材料力学性能如下：屈服强度998MPa，抗拉强度1081MPa，延伸率11％。

实施例3：

将SLM打印后剩余的TC4粉(15-53μm，氧含量0.24wt.％)与稀土Y粉末(<45μm)在球磨机内均匀混合，Y加入量为总重量的0.18％。经SLM打印并经950℃退火处理后的材料力学性能如下：屈服强度883MPa，抗拉强度967MPa，延伸率13％。图3为拉伸断口形貌，断口内含大量韧窝。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，将稀土Y元素引入高氧TC4钛合金粉末中形成TC4-Y粉末，TC4-Y粉末经处理后供选区激光熔化打印使用。

2.根据权利1所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，所述稀土元素Y加入量为高氧TC4钛合金粉末总重量的0.05-0.4wt.％。

3.根据权利2所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，所述稀土元素Y加入量为4×(O wt.％-0.2％)，其中O wt.％为高氧TC4钛合金粉末中氧含量。

4.根据权利1所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，所述高氧TC4钛合金粉末是指氧含量0.2-0.3wt.％的TC4钛合金粉末。

5.根据权利1所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将高氧TC4粉与粒径小于45μm的稀土Y单质或YH₂粉末均匀混合，采用模压-真空烧结或热等静压方法制成电极棒，然后采用电极感应熔炼气体雾化法制备TC4-Y预合金粉，分级筛分出15-53μm细粉作为选区激光熔化打印原料。

6.根据权利5所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，所述TC4钛合金粉末的粒径为<150μm，优选为15-53μm。

7.根据权利1所述的一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将粒径为15-53μm的高氧TC4钛合金粉末与粒径小于45μm的稀土Y单质粉末球磨均匀混合，制备成TC4-Y混合粉末，分级筛分出15-53μm细粉作为选区激光熔化打印原料。

8.根据权利要求1-7中任一项所述一种TC4高氧粉末改性后用作3D打印原料的方法，其特征在于，所述TC4-Y混合粉末具有良好的3D打印工艺特性和力学性能，SLM打印过程中，材料不开裂；打印材料经退火处理后，屈服强度>825MPa，抗拉强度>895MPa，延伸率>10％。