CN113215441B - 基于slm成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，基体为钛合金粉末，钛合金粉末为α+β双相钛合金。制备包括，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段。与现有技术相比，本发明可有效解决打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。

Description

基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法。
背景技术
钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、导热率低等优点，已成为航空航天领域的重要结构材料。在保证强度相同的前提下，使用钛合金代替镍基高温合金和高强度钢，可以使部件减轻25％～30％。为进一步提升钛合金的强度及耐摩擦磨损性能，通常在钛合金中添加纳米陶瓷颗粒作为增强相形成钛基复合材料，以满足更高的服役性能要求及更加复杂的工况环境要求。但钛合金材料加工难度大，整体成材率低，因此制造环节周期长、成本高，若能大幅度降低制造成本，并显著提升服役性能，则钛合金具有极佳的规模化应用前景。
激光增材制造技术是上世纪80年代初由美国主导推进，并在90年代得到迅速发展的一项快速先进整体成型技术。其中，选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术，具体为：将结构设计通过构建计算机三维实体模型及控制激光束将铺放在粉末床中的金属粉体逐层熔化堆积直接进行快速成型制造，这种技术可实现复杂结构件的一次性整体成型制造，可大幅缩短加工周期，并能显著降低加工成本。与此同时，使用选区激光熔化技术成型的零件由于凝固速度快、激光功率密度低，因此可获得细小均匀的显微组织，从而保障成型件优异的综合机械性能。
现阶段针对纳米颗粒增强钛基复合材料的激光增材制造主要面临的问题有：(1)纳米颗粒与钛合金粉末的密度及质量差距大，使用普通工艺混合时纳米颗粒容易发生团聚，难以在钛合金粉末中均匀分散；(2)由于纳米颗粒多为陶瓷增强相，与钛合金的润湿性较差，同时两种材料热膨胀系数差异较大，导致在激光增材制造过程中，包裹纳米颗粒的液相容易在凝固时出现孔洞甚至发生开裂；(3)若要较大幅度的提升综合力学性能，纳米颗粒的种类以及与钛合金粉末的混合比例仍有待优化。由此可见，研发纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法、优化添加纳米颗粒的种类、纳米颗粒与钛合金粉末混合的质量配比，以及调控SLM制备纳米颗粒增强钛基复合材料的打印工艺参数是开发基于SLM成型的高性能纳米颗粒增强钛基复合材料亟待解决的核心技术，对于提升钛基复合材料综合性能及扩展钛基复合材料的工业化应用有重要意义。
专利CN110423910A涉及高温钛合金为基体的钛基复合材料构件的激光增材制造方法，步骤包括：(1)制备选区激光熔化用粉料：将高温钛合金粉末与增强体前体粉末混合均匀，或者将以高温钛合金为基体，分布增强体的高温钛基复合材料制粉；(2)选区激光熔化增材制造钛基复合材料构件：根据钛基复合材料构件STL格式的三维模型，选区激光熔化逐层铺设的选区激光熔化用粉料，直至钛基复合材料构件制造成三维实体。专利CN110423910A中是加入稀土氧化物产生强化，而本发明加入的是稀土粉末进行强化，专利CN110423910A中的钛合金主要由α相组成，而本发明的钛合金粉末为α+β双相钛合金，专利CN110423910A的强化原理和强化效果和本发明均不同。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，可有效解决激光增材制造成型钛基复合材料的打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使所获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，所述纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，所述增强相包含第一增强相，所述第一增强相为纳米陶瓷颗粒，所述基体为钛合金粉末，所述钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)，α相与β相的形态、尺寸、分布位置等诸多因素对TC4的性能都有明显影响，α相与β相的相比例通过SLM工艺调整。
所述钛基复合材料中，所述纳米陶瓷颗粒的质量分数为0.1～5.0wt％，优选为0.12～2wt％。
所述纳米陶瓷颗粒中含有碳化钛、碳化硼、碳化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼或硼化钛中的一种或多种混合。
所述纳米陶瓷颗粒的平均粒径为15～40nm，单种纳米陶瓷颗粒的纯度在99.99％以上。
所述钛合金粉末的粒径为15～53μm。
所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末。
所述增强相还包含第二增强相，所述第二增强相为金属氧化物颗粒。第二增强相可用于第一增强相的分散，促使纳米陶瓷颗粒能在TC4粉末中充分均匀混合从而实现成分均匀。
所述金属氧化物颗粒选自含铝或钛的金属氧化物中的一种或多种。
所述钛基复合材料中，所述金属氧化物颗粒的质量分数为0.01～5wt％。
所述金属氧化物颗粒的平均粒径为10nm～500μm。
所述增强相还包含第三增强相，所述第三增强相为稀土粉末，稀土元素的作用是消除复合粉末在打印过程中微织构的形成。
所述稀土粉末的元素种类选自La、Nd、Sm或Y中的一种或多种复合。
所述钛基复合材料中，所述稀土粉末的质量分数不大于2.0wt％，优选为不大于1.85wt％。
所述稀土粉末的平均粒径为5～8μm。
一种如上述所述的纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，所述制备方法包括两个阶段，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段，
(I)高能球磨制备钛基复合粉末阶段：
(1)取纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末混合后置于球磨罐中，对球磨罐进行反复抽真空及氩气填充，待球磨罐中的空气排出后向球磨罐中通入氩气，采用间歇式球磨方式进行高能球磨，得到纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末均匀分布的钛基复合粉末；
(II)SLM成型制备纳米颗粒增强钛基复合材料阶段：
(a)在计算机中应用软件构建三维实体模型，并通过激光束扫描路径规划对三维实体模型进行分层分析；
(b)在SLM打印设备的成型仓内放置钛合金基板，将得到的钛基复合粉末装入粉料缸内，密封成型仓，并开启循环除气净化系统，使成型仓内为负压状态；
(c)新建工程任务，并设定SLM成型工艺参数，之后进行成型，最后得到纳米颗粒增强钛基复合材料。
步骤(1)中，采用行星式球磨机进行高能球磨，球磨罐采用不锈钢罐体或陶瓷罐体，采用陶瓷球或玛瑙球作为球磨介质；
球磨过程中，球磨罐中的气压控制在0.3～0.5MPa的正压状态，球磨的球料比为(5:1)～(1:2)，优选为3:2，球磨转速为100～150r/min，优选为120～150r/min，球磨过程总时间为3～8h，优选为4～6h，采用间歇式球磨方式，每球磨5～10min，冷却5～10min。
步骤(a)中，分层分析时每层设定25～50μm。
步骤(b)中，开启循环除气净化系统对成型仓抽真空后充入氩气，使成型仓内的压力值为0.7～0.9atm，优选为0.8～0.9atm。
步骤(c)中，采用EOS M290金属3D打印机新建工程任务。
步骤(c)中，SLM成型工艺参数为：激光功率为100～300W，优选为225～280W，扫描速度为600～1500mm/s，优选为800～1200mm/s，铺粉层厚为25～60μm，搭接距离为100～200μm，优选为100～140μm，粉末的每层供应量为理论计算粉末使用量的1.2～2.0倍。
步骤(c)中，成型过程具体为：铺粉装置首先在粉床上均匀铺一层钛基复合粉末形成粉末层，激光束根据三维实体模型的分层路径优化数据对粉末层进行逐行扫描，形成二维平面；每层扫描完毕后，成型缸下降一个粉末层高度，铺粉缸上升一个粉末层高度，铺粉后激光束根据三维实体模型结构进行下一层粉末层的扫描，直至打印件整体成型结束。
步骤(c)中，采用德国的EOS-M290选区激光熔化设备作为选区激光熔化快速成型设备进行熔融成型。
当纳米颗粒增强钛基复合材料中还包含作为第二增强相的金属氧化物颗粒时，在步骤(1)中，直接将金属氧化物颗粒和纳米陶瓷颗粒及钛合金粉末一同混合。
当纳米颗粒增强钛基复合材料中还包含作为第三增强相的稀土粉末时，(I)高能球磨制备钛基复合粉末阶段还包含位于步骤(1)之后的步骤(2)，所述步骤(2)具体为：
(2)待纳米陶瓷颗粒与钛合金粉末混合结束，球磨罐冷却后，向纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末均匀分布的钛基复合粉末中加入稀土粉末，并对球磨罐进行反复抽真空及氩气填充，待球磨罐中的空气排出后向球磨罐中通入氩气，采用间歇式球磨方式进行高能球磨，得到纳米陶瓷颗粒、钛合金粉末及稀土粉末均匀分布的钛基复合粉末。
步骤(2)中，球磨过程中，球磨罐中的气压控制在0.5MPa的正压状态，球磨的球料比为(5:1)～(1:2)，优选为3:2，球磨转速为100～150r/min，球磨过程总时间为1～8h，采用间歇式球磨方式，每球磨5～10min，冷却5～10min。
本发明可用于激光增材技术领域，可有效解决激光增材制造成型钛基复合材料的工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、纳米增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使所获得的材料具备良好的界面结合能力以及优异的力学性能。
与现有技术相比，本发明的优点体现在以下几个方面：
(1)本发明能够通过控制高能球磨工艺，在保证钛合金粉末氧含量不受影响的前提下，去除钛合金粉末表面粘结的卫星球，提高钛合金粉末的流动性，减少铺粉过程中粉末团聚情况的发生，使打印件的致密度得到进一步提升；
(2)本发明选择合适粒度和种类的纳米陶瓷颗粒，通过调节球料比、纳米陶瓷颗粒的添加量和球磨工艺，可使纳米颗粒均匀分布于钛合金粉末表面；
(3)本发明通过添加稀土元素，可以改善纳米颗粒增强钛基复合材料打印件中存在织构的情况，降低显微组织的各向异性对力学性能的影响；
(4)本发明通过SLM工艺参数的选择与调控，可优化钛合金中α相与β相的比例，提升纳米增强钛基复合材料的打印件力学性能。
附图说明
图1为实施例1中TiC纳米颗粒的透射电子显微镜照片；
图2为实施例1中TiC颗粒增强TC4钛基复合粉末经球磨后的扫描电子显微镜照片；
图3为实施例1中制得的TiC颗粒增强TC4钛基复合材料的3D打印试样的扫描电子显微镜照片；
图4为实施例1中制得的TiC颗粒增强TC4钛基复合材料的3D打印试样的断口形貌。
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。
一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，基体为钛合金粉末，钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)，钛基复合材料中，纳米陶瓷颗粒的质量分数为0.1～5.0wt％，纳米陶瓷颗粒中含有碳化钛、碳化硼、碳化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼或硼化钛中的一种或多种混合，纳米陶瓷颗粒的平均粒径为15～40nm。
增强相还包含第二增强相，第二增强相为金属氧化物颗粒；金属氧化物颗粒选自铝氧化物或钛氧化物中的一种或多种；钛基复合材料中，金属氧化物颗粒的质量分数为0.1～5wt％；金属氧化物颗粒的平均粒径为10nm～500μm。
增强相还包含第三增强相，第三增强相为稀土粉末；稀土粉末的元素种类选自La、Nd、Sm或Y中的一种或多种复合；钛基复合材料中，稀土粉末的质量分数不大于2.0wt％；稀土粉末的平均粒径为5～8μm。
一种如上述的纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，制备方法包括两个阶段，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段，
(I)高能球磨制备钛基复合粉末阶段：
(1)取纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末混合后置于球磨罐中，对球磨罐进行反复抽真空及氩气填充，待球磨罐中的空气排出后向球磨罐中通入氩气，采用间歇式球磨方式进行高能球磨，得到纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末均匀分布的钛基复合粉末；
(II)SLM成型制备纳米颗粒增强钛基复合材料阶段：
(a)在计算机中应用软件构建三维实体模型，并通过激光束扫描路径规划对三维实体模型进行分层分析；
(b)在SLM打印设备的成型仓内放置钛合金基板，将得到的钛基复合粉末装入粉料缸内，密封成型仓，并开启循环除气净化系统，使成型仓内为负压状态；
(c)新建工程任务，并设定SLM成型工艺参数，之后进行成型，最后得到纳米颗粒增强钛基复合材料。
步骤(1)中，采用行星式球磨机进行高能球磨，球磨罐采用不锈钢罐体或陶瓷罐体，采用陶瓷球或玛瑙球作为球磨介质；
球磨过程中，球磨罐中的气压控制在0.3～0.5MPa的正压状态，球磨的球料比为(5:1)～(1:2)，球磨转速为100～150r/min，球磨过程总时间为3～8h，采用间歇式球磨方式，每球磨5～10min，冷却5～10min。
步骤(a)中，分层分析时每层设定25～50μm。
步骤(b)中，开启循环除气净化系统对成型仓抽真空后充入氩气，使成型仓内的压力值为0.7～0.9atm。
步骤(c)中，SLM成型工艺参数为：激光功率为100～300W，扫描速度为600～1500mm/s，铺粉层厚为25～60μm，搭接距离为100～200μm，粉末的每层供应量为理论计算粉末使用量的1.2～2.0倍。
步骤(c)中，成型过程具体为：铺粉装置首先在粉床上均匀铺一层钛基复合粉末形成粉末层，激光束根据三维实体模型的分层路径优化数据对粉末层进行逐行扫描，形成二维平面；每层扫描完毕后，成型缸下降一个粉末层高度，铺粉缸上升一个粉末层高度，铺粉后激光束根据三维实体模型结构进行下一层粉末层的扫描，直至打印件整体成型结束。
实施例1
一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，具体为粒径在40nm的碳化钛(TiC)纳米颗粒，基体为粒径范围为15～53μm的TC4钛合金粉末，TC4钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(40:60)～(45:55)，在钛基复合材料中，碳化钛(TiC)纳米颗粒的质量分数为0.12wt％，其余为TC4钛合金粉末。纳米颗粒增强钛基复合材料采用以下制备步骤制备得到，制备包括高能球磨制备钛基复合粉末阶段和SLM成型固化钛基复合粉末的两个阶段：
一、机械高能球磨制备纳米颗粒增强钛基复合粉末阶段
选取平均粒径为40nm的碳化钛(TiC)纳米颗粒(如图1所示，图1中示例性地指出部分TiC颗粒)和粒径范围为15～53μm的TC4钛合金粉末进行配比混合，TiC纳米颗粒为10g，TC4钛合金粉末的质量为8000g。将混合后的粉末放入氧化铝陶瓷球磨罐中，对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在0.5MPa，将球磨罐置于行星式球磨机中；对混合粉末进行间歇式球磨，球磨的球料比为3:2，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，间歇式球磨方式为每球磨10min，冷却10min，得到TiC颗粒增强TC4钛基复合粉末，该钛基复合粉末保持了先前钛合金粉末的球形形貌，TiC颗粒均匀分布在TC4钛合金粉末表面(如图2所示，图2中示例性地指出部分TiC颗粒)，TC4钛合金粉末表面几乎无卫星球，并且钛基复合粉末具有良好的流动性。
二、SLM成型固化纳米颗粒增强钛基复合材料阶段
(a)在计算机中利用CAD软件构建三维实体几何模形并通过路径规划软件进行分层切片，每层设定30μm；
(b)在成型仓内铺放钛基复合粉末成型使用的TC4钛合金基板，并在粉料缸中倒入已制备好的钛基复合粉末，密封成型仓同时开启循环除气净化系统，成型仓内气压控制在负压状态，本实施例中将成型仓气压控制在0.8atm；
(c)使用EOS M290金属3D打印机建立加工任务，并设定铺粉层厚为30μm，粉料每层供应为40μm；
(d)使用德国的EOS-M290选区激光熔化设备进行熔融成型，成型过程中，首先在粉床上均匀铺一层钛基复合粉末形成粉末层，粉末层的厚度为30μm，采用激光功率为225W，扫描速度为800mm/s、搭接间距为100μm的工艺参数，根据计算机三维几何模形的分层路径优化数据，对粉末层进行逐行扫描，形成二维平面；每层扫描完毕后，成型缸下降一个粉末层高度，铺粉缸则上升一个粉末层高度后再度铺粉，激光束根据三维几何模形信息进行下一粉末层的扫描，直至最终完整的实体被成型加工完毕，至此成功制备出TiC颗粒增强TC4钛基复合材料的3D打印试样。
SLM制备的TiC颗粒增强TC4钛基复合材料的3D打印试样表面平整，金属光泽明显，并且试样无裂纹，如图3所示，打印试样表面无缩孔、孔洞等明显的打印缺陷，并且TiC颗粒未在试样表面出现局部聚集，TiC纳米颗粒在熔池中充分分散，图4为TiC颗粒增强TC4钛基复合材料的3D打印试样的断口形貌。打印试样的力学性能为屈服强度1177MPa，抗拉强度1344MPa，与TC4粉末单独SLM成型之后的打印件(屈服强度1010MPa，抗拉强度1120MPa)相比力学性能有较明显提升，并且拉伸样品表现出明显的塑性断裂特征。
实施例2
一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相、第二增强相和第三增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，具体为粒径在40nm的硼化钛纳米陶瓷颗粒和氮化钛纳米陶瓷颗粒，第二增强相为金属氧化物颗粒，具体为平均粒径为20nm的氧化钛和氧化铝纳米颗粒，第三增强相为含有La和Nd的稀土粉末，平均粒径为5～8μm，基体为粒径为15～53μm的TC4钛合金粉末，TC4钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(45:55)～(50:50)，在钛基复合材料中，纳米陶瓷颗粒的质量分数为2wt％，含铝和含钛的氧化物颗粒的质量分数为0.1wt％，稀土粉末的质量分数为1.85％，其余为TC4钛合金粉末。纳米颗粒增强钛基复合材料采用以下制备步骤制备得到，制备包括高能球磨制备钛基复合粉末阶段和SLM成型固化钛基复合粉末的两个阶段：
一、机械高能球磨制备纳米颗粒增强钛基复合粉末阶段
选取平均粒径为40nm的硼化钛、氮化钛纳米陶瓷颗粒、平均粒径为20nm的氧化钛和氧化铝纳米颗粒、粒径为15～53μm的TC4钛合金粉末、含有La和Nd的稀土粉末进行5：1配比混合。其中，硼化钛纳米陶瓷颗粒为100g，氮化钛纳米陶瓷颗粒为100g，氧化钛纳米颗粒为7g，氧化铝纳米颗粒为3g，TC4钛合金粉末为9605g，稀土粉末为185g，使得硼化钛、氮化钛纳米陶瓷颗粒重量百分比为2％，氧化钛和氧化铝纳米颗粒重量百分比为0.1％，稀土粉末重量百分比为1.85％，其余为TC4钛合金粉末。
(1)将硼化钛(TiB2)、氮化钛(TiN)的纳米陶瓷颗粒、氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)纳米颗粒和TC4钛合金粉末混合粉末放入氧化铝陶瓷球磨罐中，对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在0.5MPa，将球磨罐置于行星式球磨机中；对混合粉末进行间歇式球磨，球磨的球料比为3:2，球磨转速为120r/min，此阶段球磨过程时间为4h，采用间歇式球磨方式，每球磨10min，冷却10min。
(2)待球磨罐冷却后向粉末中加入稀土粉末，再次对球磨罐进行连续抽真空并用氩气将残余空气排尽，之后向罐中通入氩气，气压控制在0.5MPa，将球磨罐重新置于行星式球磨机中进行间歇式球磨，球磨的球料比为3:2，球磨转速为100r/min，此阶段球磨过程时间为2h，采用间歇式球磨方式，每球磨5min冷却5min，待球磨罐冷却后得到钛基混合粉末。
二、SLM成型固化纳米颗粒增强钛基复合材料阶段
(a)在计算机中利用CAD软件构建三维实体几何模形并通过路径规划软件进行分层切片，每层设定30μm；
(b)在成型仓内铺放混合粉末成型使用的TC4钛合金基板，并在粉料缸中倒入已步骤(2)得到的钛基复合粉末，成型仓同时开启循环除气净化系统，成型仓内气压控制在负压状态，本实施例中选用0.9atm；
(c)使用EOS M290金属3D打印机建立加工任务，并设定铺粉层厚度为30μm，粉料每层供应为60μm；
(d)使用德国的EOS-M290选区激光熔化设备进行熔融成型，成型过程中，首先在粉床上均匀铺置一层厚度在30μm的钛基复合粉末，随后采用激光功率为280W，扫描速度为1200mm/s，搭接距离为140μm的工艺参数进行打印。根据计算机三维几何模形的分层路径优化数据，对已铺置的粉层进行逐行扫描，形成二维平面；每层扫描完毕后，成型缸下降一个粉层高度，铺粉缸则上升一个粉层高度再度铺粉，激光束根据几何模形信息进行下一层的扫描，直至最终完整的实体被成型加工完毕，至此成功制备出钛基复合材料。
在SLM成型过程中，TiB2、TiN纳米增强颗粒和TiO2、Al2O3纳米氧化物颗粒可在打印件中均匀分布，稀土粉末的添加细化了TC4钛合金基体的显微组织，并基本消除了TC4钛合金粉末单独打印时形成的显微组织织构，打印试样的力学性能为屈服强度1430MPa，抗拉强度1510MPa，与TC4粉末单独SLM成型之后的打印件(屈服强度1010MPa，抗拉强度1120MPa)相比力学性能有明显提升。通过球磨工艺及打印工艺的控制，有效改善了钛合金基体与纳米陶瓷颗粒之间的界面结合情况，避免了在快速凝固条件下的开裂现象。
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 (7)

1.一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，所述增强相包含第一增强相，所述第一增强相为纳米陶瓷颗粒，所述基体为钛合金粉末，所述钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)；
所述钛基复合材料中，所述纳米陶瓷颗粒的质量分数为0.1～5.0wt％；
所述纳米陶瓷颗粒中含有碳化钛、碳化硼、碳化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼或硼化钛中的一种或多种混合；
所述纳米陶瓷颗粒的平均粒径为15～40nm；
所述钛合金粉末的粒径为15～53μm；
所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末；
所述增强相还包含第二增强相，所述第二增强相为金属氧化物颗粒；
所述金属氧化物颗粒选自含铝或钛的金属氧化物中的一种或多种；
所述钛基复合材料中，所述金属氧化物颗粒的质量分数为0.01～5wt％；
所述金属氧化物颗粒的平均粒径为10nm～500μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述增强相还包含第三增强相，所述第三增强相为稀土粉末。
3.根据权利要求2所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述稀土粉末的元素种类选自La、Nd、Sm或Y中的一种或多种复合；
所述钛基复合材料中，所述稀土粉末的质量分数不大于2.0wt％；
所述稀土粉末的平均粒径为5～8μm。
4.一种如权利要求1所述的纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括两个阶段，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段，
(I)高能球磨制备颗粒增强钛基复合粉末阶段：
(1)取纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末混合后置于球磨罐中，对球磨罐进行反复抽真空及氩气填充，待球磨罐中的空气排出后向球磨罐中通入氩气，采用间歇式球磨方式进行高能球磨，得到纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末均匀混合的钛基复合粉末；
(II)SLM成型制备纳米颗粒增强钛基复合材料阶段：
(a)在计算机中应用软件构建三维实体模型，并通过激光束扫描路径规划对三维实体模型进行分层分析；
(b)在SLM打印设备的成型仓内放置钛合金基板，将得到的钛基复合粉末装入粉料缸内，密封成型仓，并开启循环除气净化系统，使成型仓内为负压状态；
(c)新建工程任务，并设定SLM成型工艺参数，之后进行成型，最后得到纳米颗粒增强钛基复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用行星式球磨机进行高能球磨，球磨罐采用不锈钢罐体或陶瓷罐体，采用陶瓷球或玛瑙球作为球磨介质；
球磨过程中，球磨罐中的气压控制在0.3～0.5MPa的正压状态，球磨的球料比为(5:1)～(1:2)，球磨转速为100～150r/min，球磨过程总时间为1～8h，采用间歇式球磨方式，每球磨5～10min，冷却5～10min。
6.根据权利要求4所述的一种纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，分层分析时每层设定25～50μm；
步骤(b)中，开启循环除气净化系统对成型仓抽真空后充入氩气，使成型仓内的压力值为0.7～0.9atm。
7.根据权利要求4所述的一种纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，SLM成型工艺参数为：激光功率为100～300W，扫描速度为600～1500mm/s，铺粉层厚为25～60μm，搭接距离为100～200μm，粉末的每层供应量为理论计算粉末使用量的1.2～2.0倍。
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