CN113106366A - 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用 - Google Patents

一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113106366A
CN113106366A CN202110383287.0A CN202110383287A CN113106366A CN 113106366 A CN113106366 A CN 113106366A CN 202110383287 A CN202110383287 A CN 202110383287A CN 113106366 A CN113106366 A CN 113106366A
Authority
CN
China
Prior art keywords
treatment
additive manufacturing
titanium
based alloy
post
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110383287.0A
Other languages
English (en)
Inventor
李佳奇
李震
张迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Rouyan Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Rouyan Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Rouyan Technology Co ltd filed Critical Guangzhou Rouyan Technology Co ltd
Priority to CN202110383287.0A priority Critical patent/CN113106366A/zh
Publication of CN113106366A publication Critical patent/CN113106366A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/06—Titanium or titanium alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working in inert or controlled atmosphere or vacuum

Abstract

本发明属于医疗应用技术领域，公开了一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用，将制品放置到密闭的容器中，向容器内充惰性气体，在很高的温度和很高的压力下，使制品得以烧结或致密化；在HIP工艺参数下，提高制品密度和物理、机械性能，特别是未完全熔化粉末致密可增加耐磨性；进行辅助热处理和表面处理。本发明提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，可改善增材制造零件的机械性能，特别是致密化可提高零件耐磨性，使后续辅助的热处理和表面处理效果大大提高。本发明再辅助热处理(HT)和表面处理可以满足不同应用场景。

Description

一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用
技术领域
本发明属于医疗应用技术领域，尤其涉及一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用。
背景技术
目前，增材制造(AM)或称3D打印是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造的新兴制造技术，在个性化定制、复杂结构部件制备等方面具有与医疗应用结合的显著优势。钛和钛合金由于良好的机械性能，生物相容性和耐腐蚀性，是目前增材制造应用最广泛的金属材料，并可作为植入物用于人体内部环境。结合增材制造的多孔结构，比如类似骨小梁结构可促进组织生长和投放药物。尽管增材制造的工艺在不断改进，但是增材制造的零件时常会伴随着残余应力、气孔、粉末未完全熔化等缺陷的存在。钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损的颗粒腐蚀产物进人体组织，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒(V)可导致植入物的失效。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：增材制造的零件时常会伴随着残余应力、气孔、粉末未完全熔化等缺陷的存在。钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损的颗粒腐蚀产物进人体组织，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒(V)可导致植入物的失效。
解决以上问题及缺陷的难度为：
孔隙的来源有两种：一种是粉末生产过程中自带的空洞。另外一种是来自于增材制造过程中的。可能的原因包括：元素的蒸发，比如铝；球粒效应，溅射效应，施加的能量不足，等等。粉末颗粒的尺寸存在分布，同时输入的能量流(激光或者电子束)也存在高斯类的分布。这些非一致性造成了熔融池在固化过程中形成很多细小的钥匙孔。这些非均质分布的空洞可能会塌陷一起形成更大的孔隙。现在的增材制造技术经过优化可以达到99.8％的相对密度。即使如此，这些孔隙仍然可以造成疲劳强度的大量降低。
解决以上问题及缺陷的意义为：以往的HIP以及其他的热处理方法可以达到降低缺陷的目的。但是同时这些处理方法可能伴随着晶粒增大，机械性能下降。所以后期的HIP以及热处理的工艺优化对提高产品的机械性能和寿命非常重要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用。
本发明是这样实现的，一种增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，所述增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法包括以下步骤：
步骤一:去除残余应力：650-950℃摄氏度下处理2小时。在炉内冷却；
步骤二：热等压处理：将制品放置到密闭的容器中，向容器内充惰性气体，在很高的温度和很高的压力下，使制品得以烧结或致密化；在HIP工艺参数下，提高制品密度和物理、机械性能，特别是未完全熔化粉末致密可增加耐磨性；
步骤三：均匀化(solution/homogenization)：进行辅助热处理和表面处理，均匀化800-990℃摄氏度；
步骤四：时效性处理。(aging treatment)：450-650℃摄氏度。处理时间2-4小时。
进一步，步骤二中，温度为800℃～1050℃摄氏度；工作压力100～200MPa,0.5-4小时。
进一步，步骤三中，辅助热处理中温度为850摄氏度，2小时。
进一步，步骤三中，表面处理中温度为950摄氏度，2小时。
本发明另一目的在于提供一种增材制造医疗应用钛基合金，所述增材制造医疗应用钛基合金通过所述增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法制备。
本发明另一目的在于提供一种利用所述增材制造医疗应用钛基合金制备的作为植入物用于促进组织生长和投放药物的医用模具。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，可改善增材制造零件的机械性能，特别是致密化可提高零件耐磨性，使后续辅助的热处理和表面处理效果大大提高。
本发明进特定的后处理工艺改善了零件的性能。通过热等静压(Hot IsostaticPressing，简称HIP)技术将制品放置到密闭的容器中，向容器内充惰性气体，在很高的温度(通常接近材料的锻造温度)和很高的压力下(通常在100～200MPa)，使制品得以烧结或致密化，在HIP工艺参数下，可以提高制品密度和物理、机械性能的，特别是未完全熔化粉末致密可增加耐磨性，而其他工艺难以对多孔结构进行加强。本发明再辅助热处理(HT)和表面处理可以满足不同应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法流程图。
图2是本发明实施例提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理工艺图。
图3是本发明实施例提供的热等静压前金相照片效果图。
图4是本发明实施例提供的Ti-6Al-4V钛合金经激光SLM形成的金属零件热等压后的金相照片效果图。
图5是本发明实施例提供的在进一步的加温处理后，内部缺陷可实现完全消除，柱状晶的排列更加紧密效果图。
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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法包括：步骤一:去除残余应力。650-950℃摄氏度下处理2小时。在炉内冷却。
步骤二：热等压处理。，将制品放置到密闭的容器中，向容器内充惰性气体，在很高的温度和很高的压力下，使制品得以烧结或致密化；在HIP工艺参数下，提高制品密度和物理、机械性能，特别是未完全熔化粉末致密可增加耐磨性。
步骤三，进行辅助热处理和表面处理。均匀化800-990℃。
步骤四，进行时效性处理。450-650℃摄氏度。处理时间2-4小时。
优选地，步骤二中，温度为800℃～1050℃摄氏度；工作压力100～200MPa,0.5-4小时。
优选地，步骤三中，辅助热处理中温度为850摄氏度，2小时。
优选地，步骤三中，表面处理中温度为950摄氏度，2小时。
本发明还提供一种增材制造医疗应用钛基合金，所述增材制造医疗应用钛基合金通过所述增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法制备。
图2是本发明实施例提供的增材制造医疗应用钛基合金的后处理工艺图。
在本发明中，热等静压可以消除内部缺陷，可以改善冷却速度过快形成的过冷组织或者亚稳定组织。热等静压在3D打印领域中的应用就是为了消除最终零件内部的缺陷。如图3(热处理前钛合金)所示，是热等静压前金相照片，图中有大量的条形或块状斑点在柱状晶内，这是制造过程中产生的内部缺陷。如图4(钛合金热等压850度后)所示，是Ti-6Al-4V钛合金经激光SLM形成的金属零件热等压后的金相照片，大量的条形或块状斑点内部缺陷被消除。如图5(钛合金热等压950度后)所示，在进一步的加温处理后，内部缺陷可实现完全消除，柱状晶的排列更加紧密。
整体上，热等静压消除缺陷后可以改善材料的韧性和抗疲劳裂纹扩展的能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，其特征在于，所述增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法包括以下步骤：
步骤一:去除残余应力：650-950℃下处理2小时；在炉内冷却；
步骤二：热等压处理：将制品放置到密闭的容器中，向容器内充惰性气体，烧结或致密化；
步骤三，进行辅助热处理和表面处理：均匀化800-990℃；
步骤四，进行时效性处理：450-650℃摄氏度，处理时间2-4小时。
2.如权利要求1所述的增材制造医疗应用钛基合金的热等压后处理方法，其特征在于，步骤二中，温度为800℃～1050℃摄氏度；工作压力100～200MPa,0.5-4小时。
3.如权利要求1所述的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，其特征在于，步骤三中，辅助热处理中温度为850摄氏度，2小时。
4.如权利要求1所述的增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法，其特征在于，步骤三中，表面处理中温度为950摄氏度，2小时。
5.一种增材制造医疗应用钛基合金，其特征在于，所述增材制造医疗应用钛基合金通过权利要求1～4所述增材制造医疗应用钛基合金的后处理方法制备。
6.一种利用权利要求5所述增材制造医疗应用钛基合金制备的作为植入物用于促进组织生长和投放药物的医用模具。
CN202110383287.0A 2021-04-09 2021-04-09 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用 Pending CN113106366A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383287.0A CN113106366A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383287.0A CN113106366A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113106366A true CN113106366A (zh) 2021-07-13

Family

ID=76715052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110383287.0A Pending CN113106366A (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113106366A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114411075A (zh) * 2022-01-18 2022-04-29 上海交通大学 一种改善增材制造β型钛合金中缺陷的热处理方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105562694A (zh) * 2015-12-31 2016-05-11 中国钢研科技集团有限公司 一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法
US9393620B2 (en) * 2012-12-14 2016-07-19 United Technologies Corporation Uber-cooled turbine section component made by additive manufacturing
US20160243617A1 (en) * 2007-06-11 2016-08-25 Advanced Material Products, Inc Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen
CN108994304A (zh) * 2018-07-27 2018-12-14 中南大学 一种消除金属材料增材制造裂纹提高力学性能的方法
KR20190100837A (ko) * 2018-02-06 2019-08-29 조지아 테크 리서치 코오포레이션 격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트
CN110484842A (zh) * 2019-08-26 2019-11-22 飞而康快速制造科技有限责任公司 一种提高tc4钛合金性能的方法、tc4钛合金及其应用
CN112191843A (zh) * 2020-08-26 2021-01-08 东莞材料基因高等理工研究院 一种激光选区熔化制备Ti-1Al-8V-5Fe合金材料的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160243617A1 (en) * 2007-06-11 2016-08-25 Advanced Material Products, Inc Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen
US9393620B2 (en) * 2012-12-14 2016-07-19 United Technologies Corporation Uber-cooled turbine section component made by additive manufacturing
CN105562694A (zh) * 2015-12-31 2016-05-11 中国钢研科技集团有限公司 一种适用于增材制造零部件的热等静压三控方法
KR20190100837A (ko) * 2018-02-06 2019-08-29 조지아 테크 리서치 코오포레이션 격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트
CN108994304A (zh) * 2018-07-27 2018-12-14 中南大学 一种消除金属材料增材制造裂纹提高力学性能的方法
CN110484842A (zh) * 2019-08-26 2019-11-22 飞而康快速制造科技有限责任公司 一种提高tc4钛合金性能的方法、tc4钛合金及其应用
CN112191843A (zh) * 2020-08-26 2021-01-08 东莞材料基因高等理工研究院 一种激光选区熔化制备Ti-1Al-8V-5Fe合金材料的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
徐国建 等: "正火温度对电弧增材制造Ti-6Al-4V组织与性能的影响", 《焊接学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114411075A (zh) * 2022-01-18 2022-04-29 上海交通大学 一种改善增材制造β型钛合金中缺陷的热处理方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jang et al. Powder based additive manufacturing for biomedical application of titanium and its alloys: a review
Kumar et al. Effects of hot isostatic pressing on copper parts fabricated via binder jetting
Sing et al. Laser and electron‐beam powder‐bed additive manufacturing of metallic implants: A review on processes, materials and designs
EP1773418B1 (en) Pulsed current sintering for surfaces of medical implants
Ryan et al. Fabrication methods of porous metals for use in orthopaedic applications
Singh et al. Titanium foams for biomedical applications: a review
Ponader et al. In vivo performance of selective electron beam‐melted Ti‐6Al‐4V structures
Herzog et al. Productivity optimization of laser powder bed fusion by hot isostatic pressing
US20180037976A1 (en) Preparation method and application of three-dimensional interconnected porous magnesium-based material
US20050056350A1 (en) Method for producing tooth replacements and auxiliary dental parts
Tolochko et al. Dental root implants produced by the combined selective laser sintering/melting of titanium powders
Dzhendov et al. Application of selective laser melting in manufacturing of fixed dental prostheses
CN106670464B (zh) 一种双连通网状结构钛-镁双金属复合材料的制备方法
KR20170108927A (ko) 석출 경화 제어가 가능한 3d 프린팅을 이용한 고강도 금속소재의 입체 조형방법
CN113106366A (zh) 一种增材制造医疗应用钛基合金、后处理方法及应用
CN110791681A (zh) 一种生物活性Ti-Ta-Nb合金骨植入体及其成形方法
JP2012237021A (ja) 導電性成形体の製造方法及び導電性成形体の製造装置
Tosi et al. Revealing the microstructural evolution of electron beam powder bed fusion and hot isostatic pressing Ti-6Al-4V in-situ shelling samples using X-ray computed tomography
Arias-González et al. Laser-directed energy deposition: principles and applications
Wang et al. Progress in partially degradable titanium-magnesium composites used as biomedical implants
Li et al. Current developments of biomedical porous Ti–Mo alloys
Wang et al. Fatigue properties of titanium alloy custom short stems fabricated by electron beam melting
Popovich et al. Additive manufacturing of individual implants from titanium alloy
Sun et al. Research Progress on Mechanical Properties of 3D Printed Biomedical Titanium Alloys
Seramak et al. Prosthetic elements made of the Ti-13Zr-13Nb alloy by selective laser melting

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination