CN111390173A - 一种径向分级多孔钛合金零件及其3d打印制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D打印材料设计与制备领域，具体涉及一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。所述多孔钛合金零件具有高孔隙率、高强度、轻质量等优点，包括若干个紧密排列的基本单元；所述基本单元包括单胞A、单胞B、单胞C和单胞D；所述单胞A作为所述多孔钛合金零件的最内层，形成所述多孔钛合金零件的最小密度和最大等效孔径；所述单胞B和单胞C依次作为所述多孔钛合金零件的次内层，形成所述多孔钛合金零件的中级孔径，并作为所述多孔钛合金零件的材料密度的多尺度平滑过渡；所述单胞D作为最外层，形成所述多孔钛合金零件的最小孔径和最大密度；由此令所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。

Description

一种径向分级多孔钛合金零件及其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，具体涉及一种高孔隙率、高强度、轻质量的径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。
背景技术
钛及其合金具有密度低、强度高、良好的生物相容性和耐腐蚀等突出优点，在航空航天、化工、生物医疗等领域被广泛应用。为达到材料轻质量、低弹性模量的应用目的，在钛合金中引入多孔结构是行之有效的方法。多孔钛融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时还具备优异的韧性和刚度。因此，多孔钛及其合金的优异性能使其在一些特殊领域具有广泛的应用前景，例如抗冲击材料、高温过滤层、消声装置、潜水艇夹层和生物医用材料等。
多孔钛合金的传统制造方法有粉末直接烧结法、空间占位法和粉末沉积法等,这些制造方法存在孔隙率、孔径尺寸和孔结构不能精确控制、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。选择性激光熔融3D打印技术将先进的激光技术、计算机辅助设计与制造技术和粉末冶金技术集成于一体，与传统的加工方法相比，它省略了模具的制造过程，在生产形状复杂、个性化的金属零件领域具有较大的优势。
目前市面上的3D打印多孔钛合金材料多为固定孔径尺寸的结构单元罗列而成的简单孔道联通体系，如正八面体、三角锥、六面体等。这种结构单元普遍存在微孔结构单一、结构重复、孔道各向异性率差等缺点。而选择性激光熔炼技术的精度可以达到100μm，能够满足多孔钛内部结构的精确控制，由于结构设计不健全，造成3D打印精确控制内部结构的优势并没有完全发挥。
发明内容
针对现有多孔钛微孔结构单一重复的问题，本发明提出一种高孔隙率、高强度、轻质量的径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。所述多孔钛合金零件包括4种径向分级结构的基本单元，通过梯度渐变的孔隙结构设计调控孔隙率与等效孔径，以达到最佳的力学强度和生物相容性。具有实现钛金属零件减重、多孔材料力学强度提升的潜在意义。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种径向分级多孔钛合金零件，所述多孔钛合金零件包括若干个紧密排列的基本单元；
所述基本单元包括单胞A、单胞B、单胞C和单胞D；
所述单胞A作为所述多孔钛合金零件的最内层，形成所述多孔钛合金零件的最小密度和最大等效孔径；所述单胞B和单胞C依次作为所述多孔钛合金零件的次内层，形成所述多孔钛合金零件的中级孔径，并作为所述多孔钛合金零件的材料密度的多尺度平滑过渡；所述单胞D作为最外层，形成所述多孔钛合金零件的最小孔径和最大密度；由此令所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
进一步地，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由四根长度相同的圆柱体构成的六方金刚石分子结构(四根圆柱体相互连接形成一四面体结构)，由纯钛或钛合金粉末烧结而成。
进一步地，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D的圆柱体的直径不完全相同。
进一步地，所述单胞A的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
进一步地，所述单胞B的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
进一步地，所述单胞C的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。
进一步地，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D的高度相同，调节圆柱体直径尺寸以改变径向梯度，使得所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
进一步地，所述单胞A在所述多孔钛合金零件中的阵列宽度为：2-10mm，优选为3-8mm。
进一步地，所述单胞B在所述多孔钛合金零件中的阵列宽度为：1-5mm，优选为2-4mm。
进一步地，所述单胞C在所述多孔钛合金零件中的阵列宽度为：2-10mm，优选为3-8mm。
进一步地，所述单胞D在所述多孔钛合金零件中的阵列宽度为：1-5mm，优选为2-4mm。
进一步地，所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：6-30mm，优选为10-24mm。
进一步地，所述多孔钛合金零件的等效孔径为：300-700μm,优选为350-600μm；所述等效孔径由多孔钛合金零件中各支撑件的排布阵列宽度确定：越内层的单胞的等效直径越大，如果内层陈列得宽，平均等效直径就大；外层单胞陈列得宽，平均直径就会变小，本发明通过调整不同规格单胞的陈列宽度来动态调节所述多孔材料分级结构总孔隙率和密度。
本发明的另一目的在于提供一种制备如前所述的径向分级多孔钛合金零件的3D打印方法，所述3D打印方法采用激光熔融3D打印或电子束熔融3D打印得到所述径向分级多孔钛合金零件。
进一步地，所述激光熔融3D打印的条件参数为：
激光束斑直径40～100μm，优选50～80μm；
激光能量范围80～450W，优选100～400W；
扫描间距20～80μm，优选30～50μm；
扫描速度0.1～2m/s，优选0.2～1.5m/s；
粉末单层厚度20～80μm，优选20～50μm。
粉末粒度10～100μm，优选10～60μm。
进一步地，所述电子束熔融3D打印的条件参数为：
电阻丝预热功率1000～4000W，优选2000～3500W；
电子束束斑直径50～500μm，优选80～400μm；
扫描电流1～90mA，优选5～40mA；
粉末单层厚度30～500μm，优选50～200μm；
粉末粒度10～200μm，优选30～180μm。
进一步地，所述粉末为纯钛粉末或钛合金粉末。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的一种分级渐变多孔钛零件结构，设计4种不同结构的基本单元调整孔隙结构变化，可以获得孔隙率高、孔径尺寸便于调整、力学强度均匀过渡的多孔钛合金零件。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。与单一结构的基本单元构成的钛合金零件相比，本发明提出的分级结构可以更精确的匹配密度发生变化的零件，或准确模拟皮质骨与骨小梁表面密实内力疏松的渐变结构，由此获得更好的骨结合性能。
(2)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。
(3)本发明的多孔钛合金零件，可应用于生物医疗、能源、电子及化学工业方面的多孔材料。
(4)本发明通过选择性激光熔融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
图1A为本发明实施例中多孔钛合金零件的结构示意图。
图1B为本发明实施例中多孔钛合金零件的横截面结构示意图。
图1C为本发明实施例中单胞A、单胞B、单胞C和单胞D的结构示意图。
图2为本发明实施例1中高强度多孔TC4钛合金的Micro-CT纵截面微观结构。
附图标记说明：1为单胞A，2为单胞B，3为单胞C，4为单胞D。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效教学方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
实施例1
本实施例提出一种径向分级多孔钛合金零件，如图1A、1B、1C和图2所示，本实施例为高强度多孔TC4钛合金材料，所述孔隙结构由程梯度渐变的单胞A、单胞B、单胞C和单胞D线性阵列构成；每个所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由4根长度相同的圆柱体钛合金柱连接构成，钛合金柱(圆柱体)的高度为1mm；其中，单胞A的钛合金柱直径为0.1mm，单胞B的钛合金柱直径为0.2mm，单胞C的钛合金柱直径为0.3mm，单胞D的钛合金柱直径为0.4mm。单胞A阵列于最内层，提供最小密度和最大等效孔径，阵列宽度6mm；单胞B和单胞C依次阵列于次内层，提供中级孔径，并为材料密度提供多尺度平滑过渡，阵列宽度分别增至9mm(单胞A和B的阵列宽度之和)和12mm(单胞A、B和C的阵列宽度之和)；单胞D阵列于最外层，提供最小孔径和最大密度，单胞D的阵列宽度为2mm；则多孔钛合金零件总的阵列宽度为14mm；
本实施例还提出一种制备如前所述的径向分级多孔钛合金零件的3D打印方法，所述3D打印方法采用激光熔融3D打印得到所述径向分级多孔钛合金零件。
制得的多孔钛零件的微观结构如图2所示，等效孔径约为604μm。
所述激光熔融3D打印的条件参数为：激光功率250W；光斑直径75μm；扫描速率0.5m/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例2
本实施例提出一种径向分级多孔钛合金零件，如图1A、1B和1C所示，本实施例为纯钛多孔材料，孔隙结构由程梯度渐变的单胞A、单胞B、单胞C和单胞D线性阵列构成；每个所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由4条长度相同的圆柱体纯钛柱连接构成，纯钛柱的高度为0.6mm；单胞A的纯钛柱直径为0.1mm，单胞B的纯钛柱直径为0.15mm，单胞C的纯钛柱直径为0.2mm，单胞D的纯钛柱直径为0.3mm。单胞A阵列于最内层，提供最小密度和最大等效孔径，阵列宽度3mm；单胞B和单胞C依次阵列于次内层，提供中级孔径，并为材料密度提供多尺度平滑过渡，阵列宽度分别增至5mm(单胞A和B的阵列宽度之和)和9mm(单胞A、B和C的阵列宽度之和)；单胞D阵列于最外层，提供最小孔径和最大密度；多孔钛合金零件总的阵列宽度为13mm。
本实施例还提出一种制备如前所述的径向分级多孔钛合金零件的3D打印方法，所述3D打印方法采用激光熔融3D打印得到所述径向分级多孔钛合金零件。
制得的多孔钛零件的等效孔径约为480μm。
所述激光熔融3D打印的条件参数为：激光功率240W；光斑直径100μm；扫描速率1.2m/s；扫描间距50μm；粉末单层厚度30μm。
实施例3
本实施例提出一种径向分级多孔钛合金零件，如图1A、1B和1C所示，本实施例为Ti-5Cu多孔材料的多孔钛合金零件，孔隙结构由程梯度渐变的单胞A、单胞B、单胞C和单胞D线性阵列构成；每个所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由4根长度相同的圆柱体钛合金柱连接构成，钛合金柱的高度为1mm；其中，单胞A的钛合金柱直径为0.2mm，单胞B的钛合金柱直径为0.3mm，单胞C的钛合金柱直径为0.4mm，单胞D的钛合金柱直径为0.6mm。单胞A阵列于最内层，提供最小密度和最大等效孔径，阵列宽度5mm；单胞B和单胞C依次阵列于次内层，提供中级孔径，并为材料密度提供多尺度平滑过渡，阵列宽度分别增至8mm(单胞A和B的阵列宽度之和)和12mm(单胞A、B和C的阵列宽度之和)；单胞D阵列于最外层，提供最小孔径和最大密度，单胞D的阵列宽度为2mm；多孔钛合金零件总的阵列宽度为14mm。
本实施例还提出一种制备如前所述的径向分级多孔钛合金零件的3D打印方法，所述3D打印方法采用激光熔融3D打印得到所述径向分级多孔钛合金零件。
制得的多孔钛零件的等效孔径约为520μm。
所述激光熔融3D打印的条件参数为：激光功率400W；光斑直径100μm；扫描速率0.8m/s；扫描间距60μm；粉末单层厚度50μm。
实施例4
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：2mm。
所述单胞B的阵列宽度为：5mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：7mm。
所述单胞C的阵列宽度为：10mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：17mm。
所述单胞D的阵列宽度为：5mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：22mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：394μm。
实施例5
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：8mm。
所述单胞B的阵列宽度为：1mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：9mm。
所述单胞C的阵列宽度为：5mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：14mm。
所述单胞D的阵列宽度为：1mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：15mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：626μm。
实施例6
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：10mm。
所述单胞B的阵列宽度为：4mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：14mm。
所述单胞C的阵列宽度为：2mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：16mm。
所述单胞D的阵列宽度为：3mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：19mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：628μm。
实施例7
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：4mm。
所述单胞B的阵列宽度为：3mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：7mm。
所述单胞C的阵列宽度为：8mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：15mm。
所述单胞D的阵列宽度为：1mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：16mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：567μm。
实施例8
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：7mm。
所述单胞B的阵列宽度为：4mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：11mm。
所述单胞C的阵列宽度为：9mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：20mm。
所述单胞D的阵列宽度为：5mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：25mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：542μm。
实施例9
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：4mm。
所述单胞B的阵列宽度为：2mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：6mm。
所述单胞C的阵列宽度为：10mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：16mm。
所述单胞D的阵列宽度为：2mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：18mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：437μm。
实施例10
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：10mm。
所述单胞B的阵列宽度为：5mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：15mm。
所述单胞C的阵列宽度为：10mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：25mm。
所述单胞D的阵列宽度为：5mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：30mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：665μm。
实施例11
本实施例提出的一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
所述单胞A的阵列宽度为：8mm。
所述单胞B的阵列宽度为：4mm。
即单胞A和B的阵列宽度之和为：12mm。
所述单胞C的阵列宽度为：8mm。
则单胞A、B和C的阵列宽度之和为：20mm。
所述单胞D的阵列宽度为：4mm。
所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：24mm。
制得的所述多孔钛合金零件的等效孔径约为：565μm。
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 (10)

1.一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述多孔钛合金零件包括若干个紧密排列的基本单元；
所述基本单元包括单胞A、单胞B、单胞C和单胞D；
所述单胞A作为所述多孔钛合金零件的最内层，形成所述多孔钛合金零件的最小密度和最大等效孔径；所述单胞B和单胞C依次作为所述多孔钛合金零件的次内层，形成所述多孔钛合金零件的中级孔径，并作为所述多孔钛合金零件的材料密度的多尺度平滑过渡；所述单胞D作为最外层，形成所述多孔钛合金零件的最小孔径和最大密度；所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
2.根据权利要求1所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由四根长度相同的圆柱体构成的六方金刚石分子结构。
3.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述单胞A的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm。
4.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述单胞B的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm。
5.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述单胞C的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm。
6.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D的高度相同，调节圆柱体直径尺寸以改变径向梯度，使得所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。
7.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述多孔钛合金零件总的阵列宽度为：6-30mm。
8.根据权利要求2所述的一种径向分级多孔钛合金零件，其特征在于，所述多孔钛合金零件的等效孔径为：300-700μm。
9.一种制备如权利要求1～8任一项所述的径向分级多孔钛合金零件的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法采用激光熔融3D打印或电子束熔融3D打印得到所述径向分级多孔钛合金零件。
10.根据权利要求9所述的3D打印方法，其特征在于，所述激光熔融3D打印的条件参数为：
激光束斑直径40～100μm；激光能量范围80～450W；扫描间距20～80μm；扫描速度0.1～2m/s；粉末单层厚度20～80μm；粉末粒度10～100μm。
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