CN113828795B - 一种3d打印耐磨耐蚀钛合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印耐磨耐蚀钛合金及其制备方法与应用。该耐磨耐蚀钛合金，包括如下原子百分数计的元素成分：Nb的成分范围为16～25％，Zr的成分范围为15～30％，Cr的成分范围为0～4％，Sc的成分范围为0～0.5％，余量为Ti。该合金制备方法包括：将金属粉末按照成分配比混粉球磨，3D打印制备合金试样(激光工艺参数设定为：输出功率150～450W，光斑直径80～100μm，和扫描速率500～1500mm/s)，真空环境下退火处理，冰水冷却，最终得到耐磨耐蚀钛合金。该耐磨耐蚀钛合金具有良好的耐电化学腐蚀性和耐磨性等优点，可作为高性能医用金属材料在临床修复中具有非常广阔的应用前景。

Description

一种3D打印耐磨耐蚀钛合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种3D打印耐磨耐蚀钛合金及其制备方法与应用。
背景技术
由于良好的机械强度，不锈钢、钴铬合金和钛合金常作为硬组织植入材料应用于骨骼和口腔等临床修复中。目前应用最广泛的医用金属材料是不锈钢、钴铬合金和Ti-Al-V合金，在医用金属材料领域具有相当的经济效益。但是，上述三种传统的医用金属材料具有较大的细胞组织等生物毒性，为患者带来了较大的健康隐患，甚至可能会有生命危险。
不含铝和钒等元素的钛合金具有良好的生物相容性，具有较大替代传统临床医用金属材料的潜力。开发新型耐磨耐蚀钛合金从而取代传统不锈钢和钴铬合金是当前医用金属材料领域的热点和重点，具有巨大的潜在经济价值和社会效益。目前所研发的医用钛合金主要以熔炼热加工为制备手段，该制备技术适用于初期实验研究。但对于临床应用过程中复杂形状外植入物则存在巨大的挑战，增材制造技术已成为目前制备复杂件的首选方式。增材制造技术能够高效制备任意形状的试样，可以节省模具制造和后续机加工等成本。另外，在临床实际应用中耐磨性和耐腐蚀性能也对材料实际使用过程起着相当重要的作用。因此，非常有必要开发一种增材制造用耐磨耐蚀钛合金。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法。
本发明的第二目的在于提供上述制备方法制备得到的耐磨耐蚀钛合金，该耐磨耐蚀钛合金具有良好的耐腐蚀性能和较高的耐磨性等优良性能。
本发明的第三目的在于提供上述耐磨耐蚀钛合金的应用。
本发明的首要目的通过下述技术方案实现：
一种3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯金属粉末按照如下原子百分数计的组分进行配置：Nb 16～25％，Zr 15～30％，Cr 0～4％，Sc 0～0.5％，余量为Ti；将各金属粉末混合均匀后，进行球磨处理，得到钛合金粉末，用3D打印方式将球磨后的钛合金粉末制备合金试样：
(2)将步骤(1)中得到的合金试样经过真空退火处理，即可制得所述耐磨耐蚀钛合金。
优选地，步骤(1)中纯金属粉末按照如下原子百分数计的组分进行配置：Nb16％，Zr 15％，余量为Ti。
优选地，步骤(1)中纯金属粉末按照如下原子百分数计的组分进行配置：Nb25％，Zr 25％，Cr 3％，余量为Ti。
优选地，步骤(1)中纯金属粉末按照如下原子百分数计的组分进行配置：Nb23％，Zr 30％，Cr 3.5％，Sc 0.5％，余量为Ti。
优选地，步骤(1)中所述的球磨后所得钛合金粉末的粒径在10～60μm范围内呈正态分布。
优选地，步骤(1)中所述钛合金粉末中粒径≤1μm的粉末颗粒数量占3％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤10μm的粉末颗粒数量占10％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占40％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤30μm的粉末颗粒数量占70％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤40μm的粉末颗粒数量占85％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤50μm的粉末颗粒数量占90％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤60μm的粉末颗粒数量占95％以下。
优选地，步骤(1)中所述的3D打印成型的激光工艺参数包括光斑直径、激光功率和激光扫描速率；所述的光斑直径为80～100μm；所述的激光功率为150～450W；所述的激光扫描速率为500～1500mm/s。
优选地，步骤(2)中所述的真空退火过程的真空度小于10Pa，退火的温度为900～1200℃，时间为0.5～5小时，冷却方式为置于冰水混合物中骤冷。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：
一种根据上述制备方法制备得到的耐磨耐蚀钛合金。
本发明的第三目的通过下述技术方案实现：
一种耐磨耐蚀钛合金在医用植入件领域的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明制备的钛合金与现有电弧熔炼制备的钛合金相比，具有耐腐蚀和良好的耐磨性。通过3D打印技术用耐磨耐蚀钛合金可以制备任意形状，有利于制备医用植入件，在临床医疗中进行应用。
附图说明
图1为实施例1中所得耐磨耐蚀钛合金摩擦磨损后的微观组织结构；
图2为实施例2中所得耐磨耐蚀钛合金摩擦磨损后的微观组织结构；
图3为实施例3中所得耐磨耐蚀钛合金摩擦磨损后的微观组织结构。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr合金
本实施例提供一种3D打印耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr合金，包括以下以原子百分数计的组分：Nb的成分范围为16％，Zr的成分范围为15％，余量为Ti。以高纯Ti粉末、高纯Nb粉末和高纯Zr粉末为原料，以53.6:24.2:22.2的质量比例混合纯金属粉末并在球磨速度为200转/分钟下湿磨2小时，干燥过筛制粒得到混合均匀且平均粒径为20μm左右的球形合金粉末。采用选区激光熔化设备制备块体试样(尺寸为10×10×3mm3)，给定激光功率(150W)、光斑直径(80μm)和扫描速率(1500mm/s)。打印后，通过线切割得到所打印出来的金属锭，并对其开展粗磨处理。(2)对步骤(1)中得到的打印试样进行真空退火处理。放入置有海绵钛的真空密封入石英管中，在900℃的退火炉进行高温退火并保温5小时，从退火炉中取出石英管置于冰水中，迅速敲破石英管使所得合金在1分钟内降温。(3)对步骤(2)中得到的各成分含量为Ti-16at.％Nb-15at.％Zr合金试样进行粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站进行磨损速率和电化学腐蚀性能等实验测定，用扫描电镜进行微观组织结构分析如图1所示。从表1可知，该合金腐蚀电流为1.7±0.3×10- 7Acm-2，腐蚀电位为-0.4±0.1V，磨损体积为1.2±0.1×10-11m3。该增材制造Ti-Nb-Zr合金具有良好的耐磨性和电化学腐蚀性能，作为高性能医用金属材料在临床修复中具有非常广阔的应用前景。
实施例2耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr-Cr合金
本实施例提供一种3D打印耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr-Cr合金，包括以下以原子百分数计的组分：Nb的成分范围为25％，Zr的成分范围为25％，Cr的成分范围为3％，余量为Ti。
(1)以高纯Ti粉末、高纯Cr粉末、高纯Nb粉末和高纯Zr粉末为原料，以32.1:33.2:32.5:2.2的质量比例混合纯金属粉末并在球磨速度为200转/分钟下湿磨2小时，干燥过筛制粒得到混合均匀且平均粒径为20μm左右的球形合金粉末。采用选区激光熔化设备制备块体试样(尺寸为10×10×3mm3)，给定激光功率(300W)、光斑直径(90μm)和扫描速率(1000mm/s)。打印后，通过线切割得到所打印出来的金属锭，并对其开展粗磨处理。(2)对步骤(1)中得到的打印试样进行真空退火处理。放入置有海绵钛的真空密封入石英管中，在1100℃的退火炉进行高温退火并保温1小时，从退火炉中取出石英管置于冰水中，迅速敲破石英管使所得合金在1分钟内降温。(3)对步骤(2)中得到的成分含量为Ti-25at.％Nb-25at.％Zr-3at.％Cr合金试样进行粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站进行磨损速率和电化学腐蚀性能等实验测定，用扫描电镜进行微观组织结构分析如图2所示。从表1可知，该合金腐蚀电流为1.0±0.3×10-7Acm-2，腐蚀电位为-0.5±0.1V，磨损体积为1.5±0.1×10-11m3。该增材制造Ti-Nb-Zr-Cr合金具有良好的耐磨性和电化学腐蚀性能，作为高性能医用金属材料在临床修复中具有非常广阔的应用前景。
实施例3耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr-Cr-Sc合金
本实施例提供一种3D打印耐磨耐蚀Ti-Nb-Zr-Cr-Sc合金
包括以下以原子百分数计的组分：Nb的成分范围为23％，Zr的成分范围为30％，Cr的成分范围为3.5％，Sc的成分范围为0.5％，余量为Ti。
(1)以高纯Ti粉末、高纯Cr粉末、高纯Nb粉末、高纯Sc粉末和高纯Zr粉末为原料，以28.8:30.0:38.3:2.5:0.4的质量比例混合纯金属粉末并在球磨速度为200转/分钟下湿磨2小时，干燥过筛制粒得到混合均匀且平均粒径为20μm左右的球形合金粉末。采用选区激光熔化设备制备块体试样(尺寸为10×10×3mm3)，给定激光功率(450W)、光斑直径(100μm)和扫描速率(500mm/s)。打印后，通过线切割得到所打印出来的金属锭，并对其开展粗磨处理。
(2)对步骤(1)中得到的打印试样进行真空退火处理。放入置有海绵钛的真空密封入石英管中，在1200℃的退火炉进行高温退火并保温0.5小时，从退火炉中取出石英管置于冰水中，迅速敲破石英管使所得合金在1分钟内降温。
(3)对步骤(2)中得到的各组分含量为Ti-23at.％Nb-30at.％Zr-3.5at.％Cr-0.5at.％Sc合金试样进行粗磨、细磨、抛光、去离子水超声清洗和干燥处理，用多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站进行磨损速率和电化学腐蚀性能等实验测定，用扫描电镜进行微观组织结构分析如图3所示。从表1可知，该合金腐蚀电流为0.9±0.3×10-7Acm-2，腐蚀电位为-0.5±0.1V，磨损体积为0.9±0.1×10-11m3。该增材制造Ti-Nb-Zr-Cr-Sc合金具有良好的耐磨性和电化学腐蚀性能，作为高性能医用金属材料在临床修复中具有非常广阔的应用前景。
表1实施例1～3制备的耐磨耐蚀钛合金和电弧熔炼炉制备钛合金的电化学腐蚀和摩擦磨损性能表
实施例 腐蚀电流/10-7Acm-2 腐蚀电位/V 磨损体积/m3
实施例1 1.7±0.3 -0.4±0.1 1.2±0.1×10-11
实施例2 1.0±0.3 -0.5±0.1 1.5±0.1×10-11
实施例3 0.9±0.3 -0.5±0.1 0.9±0.1×10-11
电弧熔炼的Ti-Nb-Zr-Cr合金 2.1±0.3 -0.7±0.1 2.8±0.2×10-11
。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯金属粉末按照如下原子百分数计的组分进行配置：Nb 23％，Zr 30％，Cr3.5％，Sc0.5％，余量为Ti；将各金属粉末混合均匀后，进行球磨处理，得到钛合金粉末，用3D打印方式将球磨后的钛合金粉末制备合金试样；
(2)将步骤(1)中得到的合金试样经过真空退火处理，即可制得所述耐磨耐蚀钛合金。
2.根据权利要求1所述的3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的球磨后的钛合金粉末的粒径在10～60μm范围内呈正态分布。
3.根据权利要求1所述的3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述钛合金粉末中粒径≤1μm的粉末颗粒数量占3％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤10μm的粉末颗粒数量占10％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占40％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤30μm的粉末颗粒数量占70％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤40μm的粉末颗粒数量占85％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤50μm的粉末颗粒数量占90％以下；
所述钛合金粉末中粒径≤60μm的粉末颗粒数量占95％以下。
4.根据权利要求1所述的3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的3D打印成型的激光工艺参数包括光斑直径、激光功率和激光扫描速率；所述的光斑直径为80～100μm；所述的激光功率为150～450W；所述的激光扫描速率为500～1500mm/s。
5.根据权利要求1所述的3D打印耐磨耐蚀钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的真空退火过程的真空度小于10Pa，退火的温度为900～1200℃，时间为0.5～5小时，冷却方式为置于冰水混合物中骤冷。
6.一种根据权利要求1至5任一项所述的制备方法制备得到的耐磨耐蚀钛合金。
7.一种权利要求6所述的耐磨耐蚀钛合金在医用植入件领域的应用。
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