一種鈦合金激光3D打印改進方法技術

一種鈦合金激光3D打印改進方法，它涉及一種激光3D打印改進方法。它解決了目前采用激光3D打印制備的鈦合金及構件存在強度水平與耐熱溫度低；金相組織粗大且不均勻；后續熱處理改性過程中金相組織長大；后續熱處理工藝參數可選范圍較窄，力學性能改善有限；合金及構件的塑性水平低等問題。改進方法：一、將鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印。本實施方式制備出的激光3D打印鈦金屬產品中金相組織細小；而且可以大幅拓寬后續熱處理窗口，使高溫退火形成平衡組織得以實現，能夠進行長時間固溶處理或退火處理，從而獲得均勻金相組織，大幅改善了其力學性能。

【技術實現步驟摘要】
一種鈦合金激光3D打印改進方法
本專利技術涉及一種鈦合金激光3D打印改進方法。
技術介紹
鈦及鈦合金具有輕質、高強、耐腐蝕、無磁等諸多突出優點，在航空、航天、航海、汽車、化工、生物醫學等領域具有廣泛的應用。然而，鈦及鈦合金與其它常用金屬相比，也具有價格高、難加工等不足；特別形狀復雜構件，采用去材機械加工方式不僅加工困難，而且原料浪費嚴重。采用鑄造方法制備不僅成品率低而且鑄造缺陷多且性能不高。采用鍛造方法制備，只能制備形狀簡單以及變形量不大的構件。激光增材制造，即激光3D打印技術，是通過激光熔覆的方式，實現層層堆積，并借助數字化控制堆積路徑，從而直接一步制造出復雜構件的技術。與傳統去材制造、鍛壓、鑄造等技術相比，具有以下優勢：(1)原料利用率高；(2)省去模具成本；(3)設計制備周期短；(4)無需或僅需要少量后續加工；(5)可制備傳統技術無法實現的復雜構件。因此，激光3D打印技術在世界范圍內迅速發展，受到政府、國防、企業、研究院所的高度重視。然而，采用激光3D打印制備鈦合金及構件時因為每層都會發生多次熔化，且冷卻速度極快，所以金相組織粗大、不均勻、且呈針狀，綜合性能不高；雖然通過后續中低溫退火熱處理可以一定程度上改善其力學性能，但由于熱處理過程中容易形成粗大組織，從而降低力學性能。另外，由于激光3D打印鈦金屬產品的后續熱處理工藝窗口較窄，其力學性能改善有限，所以存在以下不足：(1)強度水平與耐熱溫度不高；(2)金相組織粗大且不均勻；(3)后續熱處理改性過程中金相組織長大；(4)后續熱處理工藝參數可選范圍較窄，力學性能改善有限；(5)由于金相組織為粗大的針狀組織，合金及構件的塑性水平低。
技術實現思路
本專利技術為了解決目前采用激光3D打印制備的鈦合金及構件存在強度水平與耐熱溫度低；金相組織粗大且不均勻；后續熱處理改性過程中金相組織長大；后續熱處理工藝參數可選范圍較窄，力學性能改善有限；合金及構件的塑性水平低等問題；而提供的一種鈦合金激光3D打印改進方法。本專利技術鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為250～1000W，掃描速度為0.1～1.0m/min，真空或保護氣氛下打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進；其中，改良原料為改良原料為B、TiB2、B4C、C和/或SiC。本專利技術根據設計中改良原料與鈦或鈦合金反應生成的改良相所占體積比換算出改良原料粉末與鈦或鈦合金粉末的質量比，然后稱取鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末進行球磨混粉。本專利技術選用的改良原料均容易與Ti發生原位自生反應生成改良相，在Ti熔化之前已經完全反應并在之后融入熔融態鈦合金中，實現與鈦合金基體完全冶金結合，具有較好的潤濕性和釘扎作用，避免了因鈦合金熔化而導致不潤濕的加入相顆粒形成團聚狀或者層狀團聚分布。由于改良相的引入解決了制備過程中鈦合金晶粒粗大且不均勻的問題，而且能夠抑制后續熱處理過程中金相組織繼續粗大；因此，TA系列鈦合金、TB系列鈦合金和TC系列鈦合金都可以作為本專利技術基體鈦合金使用，從而拓寬了激光3D打印鈦金屬構件的應用范圍。本專利技術改良相能夠提高激光3D打印鈦金屬產品的強度及其它力學性能，使用溫度也得到進一步提高。本專利技術中改良相與Ti反應放熱，且在鈦合金熔化之前即開始發生，所以比傳統鈦合金激光3D打印功率低，掃描速度快，在一定程度上降低了成本，增加了效率。附圖說明圖1是實施例1制備的鈦金屬材料經1000℃高溫退火1h后的組織掃描電鏡圖。具體實施方式本專利技術技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。具體實施方式一：本實施方式鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為250～1000W，掃描速度為0.1～1.0m/min，真空或保護氣氛下打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進；其中，改良原料為改良原料為B、TiB2、B4C、C和/或SiC。根據設計中改良原料與鈦或鈦合金反應生成的改良相所占體積比換算出改良原料粉末與鈦或鈦合金粉末的質量比，然后稱取鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末進行球磨混粉。本實施方式制備出的激光3D打印鈦金屬產品中金相組織細小；而且可以大幅拓寬后續熱處理窗口，使高溫退火形成平衡組織得以實現，能夠進行長時間固溶處理或退火處理，從而獲得均勻金相組織，大幅改善了其力學性能。改良相所占體積比越高，制備出的鈦金屬材料的金相組織越均勻、鈦合金與改良相尺寸越細小，熱處理工藝窗口越寬，室溫與高溫抗拉強度越高，但塑性降低。若采用純鈦作為基體，其室溫塑性較好；若采用TC系列鈦合金作為基體，其綜合性能優異；使用TB系列鈦合金作為基體，室溫強度高；使用耐熱鈦合金作為基體，其高溫強度高。具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：步驟一中球磨后鈦或鈦合金粉末的粒徑為30～100μm、改良原料粉末的粒徑為0.5～8μm。其它步驟及參數與實施方式一相同。具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二的不同點是：步驟一中鈦合金為TA系列鈦合金、TB系列鈦合金或TC系列鈦合金。其它步驟及參數與實施方式一或二相同。具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一的不同點是：步驟二中采用送粉式或鋪粉式激光3D打印設備。其它步驟及參數與實施方式一至三之一相同。具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一的不同點是：步驟二中保護氣氛為高純氬氣。其它步驟及參數與實施方式一至四之一相同。實施例1鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將TC4鈦合金粉末與B粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為500W，掃描速度為0.5m/min，真空打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進。本實施例制備出的鈦金屬材料中形成TiB晶須(TiBw)的改良相，設計改良相TiBw的體積分數為2.0vol.％。本實施例制備出的鈦金屬材料室溫抗拉強度為1100MPa，延伸率為6％，500℃抗拉強度為680MPa；經過1000℃高溫退火1h后，室溫抗拉強度為1030MPa，延伸率為11％。經1000℃高溫退火1h后鈦金屬材料的組織掃描電鏡如圖1所示。實施例2鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將TC4鈦合金粉末與TiB2粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為500W，掃描速度為0.8m/min，真空打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進。本實施例制備出的鈦金屬材料中形成TiB晶須(TiBw)的改良相，設計改良相TiBw的體積分數為12.0vol.％。本實施例制備出的鈦金屬材料室溫抗拉強度為1250MPa，延伸率為2％，500℃抗拉強度為780MPa；經過1100℃高溫退火1h后，室溫抗拉強度為1180MPa，延伸率為4％。實施例3鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將純鈦粉末與B4C粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為490W，掃描速度為0.5m/min，真空打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進。本實施例制備出的鈦金屬材料中形成TiB晶須與TiC顆粒(TiBw+TiCp)的改良相，設計改良相TiBw+TiCp的體積分數為5.0vol.％。本實施例制備本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈦合金激光3D打印改進方法，其特征在于鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為250～1000W，掃描速度為0.1～1.0m/min，真空或保護氣氛下打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進；其中，改良原料為B、TiB2、B4C、C和/或SiC。

【技術特征摘要】
1.一種鈦合金激光3D打印改進方法，其特征在于鈦合金激光3D打印改進方法按以下步驟進行：一、將鈦或鈦合金粉末與改良原料粉末球磨混粉均勻；二、激光3D打印，激光功率為250~1000W，掃描速度為0.1~1.0m/min，真空或保護氣氛下打印；即可實現鈦合金激光3D打印的改進；其中，改良原料選自B、TiB2、B4C、C和SiC；步驟一中球磨后鈦或鈦合金粉末的粒徑為30~100...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃陸軍，戎旭東，耿林，段天博，王帥，崔喜平，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23