本發(fā)明專利技術(shù)屬于鈦合金材料及增材制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料及其制備方法，該制備方法包括以下步驟：將經(jīng)過真空干燥處理的鈦合金粉末與鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒加入到球磨機(jī)中在惰性氣體氛圍下進(jìn)行球磨處理，得到混合均勻的復(fù)合粉末；將步驟1中的復(fù)合粉末真空干燥后，然后通過增材制造設(shè)備將復(fù)合粉末均勻鋪放在成形基板上，并通過熱源逐層熔化復(fù)合粉末，凝固后得到高性能鈦基復(fù)合材料。本發(fā)明專利技術(shù)采用鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒中的B元素在選區(qū)激光熔化成形中與Ti元素發(fā)生原位反應(yīng)生成的TiB，并均勻彌散分布在鈦合金基體中，制備出的鈦基復(fù)合材料具有良好的致密度，材料的強(qiáng)度、硬度等性能得到明顯提高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。
1、隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速以及航空航天、汽車船舶、生物醫(yī)療等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高性能材料的需求日益增長(zhǎng)。鈦合金作為一種高性能金屬材料，具有高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性和耐熱性等特點(diǎn)，在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力和重要的戰(zhàn)略價(jià)值。在技術(shù)層面，鈦合金的生產(chǎn)和加工技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前，傳統(tǒng)的熔煉和鑄造技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而新興的增材制造技術(shù)則進(jìn)一步提高了鈦合金的使用性能和加工效率。選區(qū)激光熔化技術(shù)是近年來出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)成形技術(shù)，通過激光束直接熔化鈦合金粉末，逐層堆積形成三維實(shí)體零件，具有高精度、高靈活性和高材料利用率等優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出復(fù)雜形狀和高性能的鈦合金零件，滿足航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨蟆?/p>
2、然而，鈦合金仍存在一些不容忽視的缺點(diǎn)，其硬度較低，耐磨性差，在高性能應(yīng)用方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。鈦基復(fù)合材料是一種以鈦或鈦合金為基體，通過加入高分子材料、纖維、無機(jī)非金屬等增強(qiáng)體制成的新型材料，綜合了鈦合金基體的高強(qiáng)韌性與陶瓷相的高強(qiáng)度特性。適用于鈦合金基體的增強(qiáng)體有多種選擇，其中tib增強(qiáng)體具有優(yōu)異的機(jī)械性能以及與鈦接近的密度和熱膨脹系數(shù)，是鈦基復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體之一。但增強(qiáng)相的加入會(huì)引起鈦基復(fù)合材料的塑性急劇下降，甚至在成形過程中脆性斷裂。為避免這個(gè)問題，鈦基復(fù)合材料的成形工藝優(yōu)化以及微觀組織形貌設(shè)計(jì)是目前被廣泛研究的熱點(diǎn)問題。
>1、有鑒于此，本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料及其制備方法，以解決
技術(shù)介紹
中提出的問題。2、為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
3、一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
4、步驟1.制備復(fù)合粉末：將經(jīng)過真空干燥處理的鈦合金粉末與鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒加入到球磨機(jī)中在惰性氣體氛圍下進(jìn)行球磨處理，得到混合均勻的復(fù)合粉末；
5、步驟2.增材制造成形：將步驟1中的復(fù)合粉末真空干燥后，然后通過增材制造設(shè)備將復(fù)合粉末均勻鋪放在成形基板上，并通過熱源逐層熔化復(fù)合粉末，凝固后得到高性能鈦基復(fù)合材料。
6、進(jìn)一步地，在所述步驟1中，所述復(fù)合粉末各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鈦合金粉末為95％～99％，鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒為1％～5％。
7、進(jìn)一步地，所述鈦合金粉末包括純鈦、tc4、ta11以及ta15中的一種或多種組合，且所述鈦合金粉末的粒徑范圍為15～53μm。
8、進(jìn)一步地，在所述步驟1中，所述真空干燥處理為：將鈦合金粉末和鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒分別置于不銹鋼托盤中，于100～120℃的真空環(huán)境下保溫1～2h；
9、在所述球磨處理中，選取直徑為5mm的磨球，球料比為1:2，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為100～200rpm，球磨時(shí)間為4～8h，球磨氛圍為氬氣氛圍。
10、進(jìn)一步地，在所述步驟2中，所述真空干燥的溫度為100～120℃，并保溫3～5h。
11、進(jìn)一步地，所述增材制造設(shè)備為選區(qū)激光熔化設(shè)備，并在所述選區(qū)激光熔化設(shè)備中通入氬氣填充打印艙，以保持打印艙內(nèi)氧含量降至100ppm以下，所述成形基板為tc4基板；
12、所述選區(qū)激光熔化設(shè)備的工藝參數(shù)為：激光光斑直徑為80μm，激光功率為100～300w，掃描速度為300～1000mm/s，掃描間距為50～100μm，鋪粉層厚為20～60μm，成形基板預(yù)熱溫度為160～200℃。
13、進(jìn)一步地，所述步驟1中，所述鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒的制備方法，包括以下步驟：
14、步驟a.將鈦粉與增強(qiáng)相顆粒進(jìn)行球磨混合處理，得到均勻的混合粉體，其中，所述鈦粉的粒徑為20～200μm，增強(qiáng)相顆粒的粒徑為10～100μm，所述混合粉體中鈦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15～50％，其余為增強(qiáng)相顆粒；
15、步驟b.通過高頻感應(yīng)等離子體法將混合粉體制備為鈦包覆增強(qiáng)相粉體；具體的，在真空反應(yīng)室中充入惰性氣體，用惰性氣體的將所述混合粉體送入等離子體火炬，經(jīng)過熱等離子體反應(yīng)后，經(jīng)快速冷卻，以得到鈦包覆增強(qiáng)相粉體；
16、步驟c.篩選粒徑為1μm以下的鈦包覆增強(qiáng)相粉體作為鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒。
17、進(jìn)一步地，所述增強(qiáng)相顆粒包括b粉、lab6和b4c中的一種或多種組合。
18、進(jìn)一步地，在步驟b中，通過高頻感應(yīng)等離子體法制備鈦包覆增強(qiáng)相粉體時(shí)在真空反應(yīng)室中進(jìn)行，并在真空反應(yīng)室中充入惰性氣體，以使得所述真空反應(yīng)室的氣壓值處于0.01～0.03mpa，且所述混合粉體在惰性氣體的作用下以3～20m/s的速度被送入所述真空反應(yīng)室。
19、一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料，該高性能鈦基復(fù)合材料為所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法所制備得到的高性能鈦基復(fù)合材料。
20、本專利技術(shù)的有益效果在于：
21、1、本專利技術(shù)采用鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒中的b元素在選區(qū)激光熔化成形中與ti元素發(fā)生原位反應(yīng)生成的tib，并均勻彌散分布在鈦合金基體中，制備出的鈦基復(fù)合材料具有良好的致密度，且實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化，硬度可達(dá)477.46hv，抗拉強(qiáng)度可以超過1350mpa。
22、2、本專利技術(shù)采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備高性能鈦基復(fù)合材料，相較于傳統(tǒng)加工工藝，可以實(shí)現(xiàn)零件的近凈成形，能夠制備出復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)尺度精細(xì)的鈦合金零件，滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系男枨蟆?/p>
23、3、本專利技術(shù)提供的鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒，相較于普通增強(qiáng)相納米顆粒，與鈦合金基體有更優(yōu)異的界面結(jié)合能力，在熔池中更容易分散，具有良好的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于鈦合金的成形中；其次，該高性能鈦基復(fù)合材料成形試樣無裂紋，表面較平整，致密化程度高，材料的強(qiáng)度、硬度等性能得到明顯提高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，在航空航天、汽車船舶和生物醫(yī)療等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
24、本專利技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本專利技術(shù)的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本專利技術(shù)的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在所述步驟1中，所述復(fù)合粉末各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鈦合金粉末為95％～99％，鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒為1％～5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述鈦合金粉末包括純鈦、TC4、TA11以及TA15中的一種或多種組合，且所述鈦合金粉末的粒徑范圍為15～53μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在所述步驟2中，所述真空干燥的溫度為100～120℃，并保溫3～5h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述增材制造設(shè)備為選區(qū)激光熔化設(shè)備，并在所述選區(qū)激光熔化設(shè)備中通入氬氣填充打印艙，以保持打印艙內(nèi)氧含量降至100ppm以下，所述成形基板為TC4基板；
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟1中，所述鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒的制備方法，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述增強(qiáng)相顆粒包括B粉、LaB6和B4C中的一種或多種組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在步驟b中，通過高頻感應(yīng)等離子體法制備鈦包覆增強(qiáng)相粉體時(shí)在真空反應(yīng)室中進(jìn)行，并在真空反應(yīng)室中充入惰性氣體，以使得所述真空反應(yīng)室的氣壓值處于0.01～0.03MPa，且所述混合粉體在惰性氣體的作用下以3～20m/s的速度被送入所述真空反應(yīng)室。
10.一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料，其特征在于：該高性能鈦基復(fù)合材料為權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)中所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法所制備得到的高性能鈦基復(fù)合材料。
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【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在所述步驟1中，所述復(fù)合粉末各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：鈦合金粉末為95％～99％，鈦包覆增強(qiáng)相納米顆粒為1％～5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述鈦合金粉末包括純鈦、tc4、ta11以及ta15中的一種或多種組合，且所述鈦合金粉末的粒徑范圍為15～53μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在所述步驟2中，所述真空干燥的溫度為100～120℃，并保溫3～5h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于增材制造的高性能鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述增材制造設(shè)備為選區(qū)激光熔化設(shè)備，并在所述選區(qū)激光熔化設(shè)備中通入氬氣填充...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳靜霓，朱科，萬祥睿，劉立夫，張芝民，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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