CN113579226B - 一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法 - Google Patents

一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取15‑53um和53‑105um两种粒径范围的粉体。本发明中复合材料无需额外添加第二种复合相，单纯采用由于磨球磨损带来的碳化硼；碳化硼与钛合金在增材制造成型时发生原位反应，同时生成TiB晶须和TiC纳米颗粒，使钛合金强度、硬度增加。

Description

一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金加工技术领域，具体是一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法。
背景技术
增材制造(又称3D打印)是基于三维模型数据，采用与传统减材制造技术(对原材料去除、切削、组装的加工模式)完全相反的逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，具有材料利用率高、制造周期短、方案设计灵活、加工自由度高等众多优点，被誉为将引领“第三次工业革命”。
钛合金以其高比强、高比刚、耐腐蚀、耐高温等优点在航空、航天、兵器等军工领域，以及医疗、能源、汽车等民用领域应用发展十分迅猛。尤其是增材制造技术的发展，给钛合金加工提供了一种新型的成型方式，能够快速制造复杂的钛合金零部件，从而进一步增加了钛合金的应用。
而随着航空工业的发展，对钛合金提出了更高的性能需求。特别是兼具高强度和高韧性的钛合金材料，是航天器上不可缺少的紧固件材料，不仅被用在卫星导弹，火箭飞船等设备上进行国防军工建设，同样也大量被大中小型客机等民品所需求。但是获得同时满足高强度和高韧性的钛合金非常困难，特别是满足强度＞1200MPa，断裂韧性＞65MPa m1/2的钛合金目前国内外尚无明确的报道。
钛基复合材料兼具钛合金与增强体的综合性能，与传统钛合金相比，钛基复合材料具有比强度高、耐热，耐腐蚀性能好等优点。因此，开发高强高韧钛基复合材料有望打破钛合金领域面临困境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，以解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；
步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；
步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；
步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取15-53um和53-105um两种粒径范围的粉体。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
在一种可选方案中：所述步骤S1中钛合金材料粒度大小为53-150um。
在一种可选方案中：所述步骤S1中所加钛合金材料与碳化硼磨球的重量比为1～5：1。
在一种可选方案中：步骤S1中所选的磨球由直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球和一种直径尺寸为0.3～2mm的磨球组成；其中，直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球体积比为20％～40％：30％～60％：20％～40％，直径尺寸为0.3～2mm磨球体积比为5％～20％。
在一种可选方案中：所述步骤S1中采用的惰性气体为氮气和氩气中的一种。
在一种可选方案中：所述步骤S2中的温度为-130～40℃。
在一种可选方案中：所述步骤S2中球磨机转速为100～400r/min；球磨时正向转动一段时间再反向转动一段时间,总时间为30～180min。
一种钛基复合材料粉末，采用如上述所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法得到。
一种采用如上述所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，粒径范围为15～53um的所述钛基复合材料粉末采用选区激光熔覆工艺；粒径范围为53～105um的钛基复合材料粉末采用电子束选区熔化工艺。
在一种可选方案中：所述选区激光熔覆工艺中基板温度为60～200℃，铺粉层厚30～60um,激光光斑直径为70～200um,激光功率为150～400W,激光扫描速率为500～3000mm/s，激光扫描间距为90～130um。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明中细化钛合金粉体颗粒同时制备钛合金复合材料；本发明中复合材料无需额外添加第二种复合相，单纯采用由于磨球磨损带来的碳化硼；碳化硼与钛合金在增材制造成型时发生原位反应，同时生成TiB晶须和TiC纳米颗粒，共同作用增强Ti合金基体，使钛合金强度、硬度增加。
采用低温球磨工艺进行干法球磨，可以控制球磨过程中温升，并且减小钛合金颗粒变形。加入极细碳化硼磨球可以快速引入适量碳化硼第二相，又能提升球磨效率；开发的选区激光熔覆工艺同粉体材料相匹配，可以在成型时发生原位反应，同时减小加工缺陷与残余应力。
具体实施方式
本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
实施例一
一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；
步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；
步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；
步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取15um和54um两种粒径范围的粉体。
所述步骤S1钛合金材料粒度大小为53um。
所述步骤S1中所加钛合金材料与碳化硼磨球的重量比为1：1。
步骤S1中所选的磨球由直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球和一种直径尺寸为0.3mm的磨球组成；其中，直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球体积比为20％：30％：20％，直径尺寸为0.3mm磨球体积比为5％。
所述步骤S1中采用的惰性气体为氮气。
所述步骤S2中的温度为-130℃。
所述步骤S2中球磨机转速为100r/min；球磨时正向转动一段时间再反向转动一段时间,总时间为30min。
一种钛基复合材料粉末，采用如上述所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法得到。
一种采用如上述所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，粒径范围为15um的所述钛基复合材料粉末采用选区激光熔覆工艺；粒径范围为54um的钛基复合材料粉末采用电子束选区熔化工艺。
所述选区激光熔覆工艺中基板温度为60℃，铺粉层厚30um,激光光斑直径为70um,激光功率为150W,激光扫描速率为500mm/s，激光扫描间距为90um。
实施例二
一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；
步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；
步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；
步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取30um和80um两种粒径范围的粉体。
所述步骤S1中钛合金材料粒度大小为100um。
所述步骤S1中所加钛合金材料与碳化硼磨球的重量比为3：1。
步骤S1中所选的磨球由直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球和一种直径尺寸为1mm的磨球组成；其中，直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球体积比为30％：45％：30％，直径尺寸为1mm磨球体积比为10％。
所述步骤S1中采用的惰性气体为氩气。
所述步骤S2中的温度为-20℃。
所述步骤S2中球磨机转速为200r/min；球磨时正向转动一段时间再反向转动一段时间,总时间为100min。
一种钛基复合材料粉末，采用如上述所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法得到。
一种采用如上述所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，粒径范围为30um的所述钛基复合材料粉末采用选区激光熔覆工艺；粒径范围为80um的钛基复合材料粉末采用电子束选区熔化工艺。
所述选区激光熔覆工艺中基板温度为130℃，铺粉层厚45um,激光光斑直径为135um,激光功率为300W,激光扫描速率为1200mm/s，激光扫描间距为110um。
实施例三
一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；
步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；
步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；
步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取53um和105um两种粒径范围的粉体。
所述步骤S1中钛合金材料粒度大小为150um。
所述步骤S1中所加钛合金材料与碳化硼磨球的重量比为5：1。
步骤S1中所选的磨球由直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球和一种直径尺寸为2mm的磨球组成；其中，直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球体积比为40％：60％：40％，直径尺寸为2mm磨球体积比为20％。
所述步骤S1中采用的惰性气体为氮气和氩气中的一种。
所述步骤S2中的温度为40℃。
所述步骤S2中球磨机转速为400r/min；球磨时正向转动一段时间再反向转动一段时间,总时间为180min。
一种钛基复合材料粉末，采用如上述所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法得到。
一种采用如上述所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，粒径范围为53um的所述钛基复合材料粉末采用选区激光熔覆工艺；粒径范围为105um的钛基复合材料粉末采用电子束选区熔化工艺。
所述选区激光熔覆工艺中基板温度为200℃，铺粉层厚60um,激光光斑直径为200um,激光功率为400W,激光扫描速率为3000mm/s，激光扫描间距为130um。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将钛合金材料、碳化硼磨球按一定比例放入低温球磨罐中，向球磨罐中加入球磨介质，通入惰性气体60s并排气10s；
步骤S2：设定球磨温度后，将球磨罐在行星式球磨机中进行球磨处理；
步骤S3：将球磨后的浆料过滤、烘干，得到球磨后复合粉体；
步骤S4：将复合粉体过筛，分别留取15-53um和53-105um两种粒径范围的粉体；
其中，步骤S1中所选的磨球由直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球和一种直径尺寸为0.3～2mm的磨球组成；其中，直径尺寸为7mm、5mm、3mm的磨球体积比为20％～40％：30％～60％：20％～40％，直径尺寸为0.3～2mm磨球体积比为5％～20％。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，钛合金材料粒度大小为53-150um。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所加钛合金材料与碳化硼磨球的重量比为1～5：1。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S1中采用的惰性气体为氮气和氩气中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的温度为-130～40℃。
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法，其特征在于，所述步骤S2中球磨机转速为100～400r/min；球磨时正向转动一段时间再反向转动一段时间,总时间为30～180min。
7.一种钛基复合材料粉末，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的用于增材制造的多相增强钛合金复合材料制备方法得到。
8.一种如权利要求7所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，其特征在于，粒径范围为15～53um的所述钛基复合材料粉末采用选区激光熔覆工艺；粒径范围为53～105um的钛基复合材料粉末采用电子束选区熔化工艺。
9.根据权利要求8所述的钛基复合材料粉末的激光增材制造成型方法，其特征在于，所述选区激光熔覆工艺中基板温度为60～200℃，铺粉层厚30～60um,激光光斑直径为70～200um,激光功率为150～400W,激光扫描速率为500～3000mm/s，激光扫描间距为90～130um。
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