[發(fā)明專(zhuān)利]一種3D打印制備的稀土鈦合金材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610033835.6
• 申請(qǐng)日: 2016-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105648270B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝浩龍;林志丹;黃霖;鄧淑玲;劉燕
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣州智芝龍科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): C22C14/00
• 分類(lèi)號(hào): C22C14/00;C22C1/05;C22F1/18;B22F3/105;B22F9/04;B33Y70/00
• 代理公司: 北京國(guó)坤專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙)11491
• 代理人: 黃耀鈞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種3D打印制備的稀土鈦合金材料。

背景技術(shù)

生物醫(yī)用材料是指以醫(yī)療為目的，用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織器官或增進(jìn)其功能的材料。骨科中用于制造各種人工關(guān)節(jié)和人工骨醫(yī)用材料主要包括高分子材料、金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。鑒于金屬材料具有較高的強(qiáng)度、韌性和優(yōu)良的加工性能，可被用作人工膝關(guān)節(jié)、股關(guān)節(jié)、齒科植入體、牙根及義齒金屬支架等，從而在外科移植手術(shù)中得到了廣泛地應(yīng)用。

3D打印技術(shù)是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用高能激光束、電子束等方式將金屬線(xiàn)、金屬粉末、陶瓷粉末、或者塑料細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積粘結(jié)最終疊加成型制造出實(shí)體產(chǎn)品。這也決定了其打印材料和應(yīng)用方向的不同，會(huì)產(chǎn)生一些垂直的發(fā)展領(lǐng)域。

現(xiàn)有的生物工程可以打印出顱骨中頭蓋骨、牙齒骨骼、修復(fù)人體髖關(guān)節(jié)、脊柱、細(xì)胞、器官軟組織等，而且航空航天領(lǐng)域也采用3D打印技術(shù)打印出過(guò)運(yùn)20、殲15的主承力部分的起落架等。

但是，由于3D打印對(duì)材料要求的特殊性以及醫(yī)用、航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系母咭笮?，現(xiàn)有的材料還完全滿(mǎn)足上述所有要求。

激光增材制造，即激光3D打印技術(shù)，是通過(guò)激光熔覆的方式，實(shí)現(xiàn)層層堆積，并借助數(shù)字化控制堆積路徑，從而直接一步制造出復(fù)雜構(gòu)件的技術(shù)。與傳統(tǒng)去材制造、鍛壓、鑄造等技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)原料利用率高；(2)省去模具成本；(3)設(shè)計(jì)制備周期短；(4)無(wú)需或僅需要少量后續(xù)加工；(5)可制備傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件。因此，激光3D打印技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展，受到政府、國(guó)防、企業(yè)、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(gòu)件時(shí)因?yàn)槊繉佣紩?huì)發(fā)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(guò)后續(xù)中低溫退火熱處理可以一定程度上改善其力學(xué)性能，但由于熱處理過(guò)程中容易形成粗大組織，從而降低力學(xué)性能。另外，由于激光3D打印鈦金屬產(chǎn)品的后續(xù)熱處理工藝窗口較窄，其力學(xué)性能改善有限，所以存在以下不足：(1)強(qiáng)度水平與耐熱溫度不高；(2)金相組織粗大且不均勻；(3)后續(xù)熱處理改性過(guò)程中金相組織長(zhǎng)大；(4)后續(xù)熱處理工藝參數(shù)可選范圍較窄，力學(xué)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(gòu)件的塑性水平低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明一種3D打印稀土鈦合金材料，通過(guò)組分的優(yōu)化，粉體制備的改進(jìn)以及熱處理過(guò)程的優(yōu)化獲得。

本發(fā)明一種3D打印稀土鈦合金材料，由以下原料制備得到：所述鈦合金粉體的組成包含以下組分(質(zhì)量百分比)：Ni：11-18%，Al：7.3-8.9%，Cu：0.56-0.9%，Zr：1.2-1.7%，Mo：0.2-0.4%，F(xiàn)e：1-2.8%，Ag：0.1-0.5%，Nd：0.6-1%，V:0.5-0.8%,Pr：1-3%，Er：0.5-1.5%，Y：1-2%，CeO₂：1-3%，LaB₆：0.1-3.3%，余量為T(mén)i。

進(jìn)一步地，所述鈦合金粉體的組成包含以下組分(質(zhì)量百分比)：Ni：15.6%，Al：7.6%，Cu：0.88%，Zr：1.3%，Mo：0.26%，F(xiàn)e：1.92%，Ag：0.35%，Nd：0.78%，V:0.66%, Pr：1.6%，Er：0.9%，Y：1.4%，CeO₂：1.23%，LaB₆：1.2%，余量為T(mén)i。

更進(jìn)一步地，提供一種3D打印制備稀土鈦合金材料的方法，包括以下步驟：

(1)粉體制備：混粉：將所述單質(zhì)粉末和化合物粉末在混粉機(jī)中混合均勻，將混合均勻后的粉末進(jìn)行高能球磨；將球磨后的粉末實(shí)施加壓加熱操作，溫度為180-195℃，壓力為950-1050MPa，保壓時(shí)間為3-10分鐘；在真空爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為850-1250℃，燒結(jié)保溫時(shí)間為2-10h；得到鈦合金塊體， 將鈦合金塊體置于剛玉陶瓷球磨罐中，首先抽真空至1×10^-2-9×10^-2Pa，然后 在300-450r/min轉(zhuǎn)速下，采用粒度為1-8mm的剛玉球球磨24-48小時(shí)；最后用篩選出粒度為15-36μm的合金粉體，以其作為激光3D打印用粉體材料;

(2)激光3D打印成型，激光功率200-250W，掃描速度為1200-1400mm/s，真空或氬氣保護(hù)氣氛下打印，將激光打印成型的坯料超聲波清洗10~15mins，清洗后在120℃烘干；