[發明專利]一種高強度多孔結構鈦合金零件的3D打印制備方法

在審

• 申請號: 201910678132.2
• 申請日: 2019-07-25
• 公開（公告）號: CN110369724A
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 羅乙媧;焦樹強;朱駿;王明涌
• 申請（專利權）人: 北京科技大學;寧夏德運創潤鈦業有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/11;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明公開了一種高強度多孔結構鈦合金零件的3D打印制備方法，屬于3D打印材料設計與制備領域。其特征在于多孔結構鈦合金零件由多個菱形十二面體基本單元疊加而成，所述基本單元的內部鏤空，體對角線方向分別設置4條加固支架，金屬框架采用激光3D打印技術成型，相鄰兩個基本單元共用一面。本發明所得的多孔材料孔徑尺寸小，可通過調控基本單元維度參數控制孔隙率；在相同孔隙率條件下，產品的屈服強度和抗扭強度均高于常規3D打印多孔材料。

技術領域

本發明屬于3D打印材料設計與制備領域，具體涉及一種高強度、輕質量多孔鈦合金零件。

背景技術

多孔鈦合金是當前材料學領域的一種新型的結構材料，多孔結構可以在較輕的重量下有效的發揮其力學性能與結構特性。與實體材料相比，這種特殊的輕質材料具有優異的強度、剛度和良好的可壓縮性。得益于大量的內部孔隙，多孔鈦合金表現出諸多特性，如比表面積大、滲透性強、機械性能優異、加工性好等，使其應用已擴展到化工、電子、醫用材料及生物工程領域。多孔鈦具有良好的耐腐蝕性、生物相容性和與人骨相匹配的力學性能，材料的開孔結構可以促進新骨組織的生長，因此被廣泛的用作仿骨植入件。隨著科學技術的發展以及學科交叉的深入，多孔鈦合金不再僅僅是一種結構材料，其獨特的結構使其成為一種性能優異的多用途功能材料，具有更廣泛的應用前景。

多孔鈦合金的傳統制造方法有粉末直接燒結法、沉積法、粉漿發泡法、空心球燒結法和氣體卷入技術,這些制造方法普遍存在孔隙結構不能精確控制、內部孔隙連通率差等問題。隨著應用領域的拓寬和應用環境要求的提高，高度復雜形狀和精密尺度的多孔鈦合金需求度逐漸增加，通過傳統加工制造方法已經難以達到產品的質量要求。激光3D打印技術改變了傳統制造的理念和模式，在制備具有復雜、多孔和個性化的金屬零件方面具有較大優勢。目前市面上各種3D打印多孔鈦，其多孔結構均以體心立方、密排六方、正八面體、圓柱體、圓錐體為基本單元簡單陣列疊加而成，這些結構存在孔隙率低、等效孔徑過大等不足，而且在多孔材料曲面上存在孔隙分布不均勻的現象，影響材料的綜合力學性能。

發明內容

針對現有多孔鈦的缺陷問題，本發明的目的是提出一種高孔隙率高強度的多孔鈦合金零件結構，設計高強度多孔鈦合金的3D打印制備方法。采用激光3D打印工藝制備材料，所得產品的孔隙率高，等效孔徑可以控制在800μm以下，且在相同孔隙率的條件下，其所得產品的屈服強度和抗扭強度遠遠優于現有產品。

一種高強度多孔結構鈦合金零件的3D打印制備方法；其特征在于：多孔結構鈦合金零件由多個菱形十二面體基本單元疊加而成，所述基本單元為棱柱為金屬粉末燒結而成的立方體或六棱柱實體、其余部分鏤空的金屬框架；框架內部的不同取向體對角線方向分別設置4條加固支架；金屬框架采用激光3D打印技術成型，相鄰兩個基本單元共用一面。

進一步地，所述激光3D打印的條件參數為：粉末預熱溫度范圍450～900℃；激光功率范圍150～300W；掃描速率100～900mm/s，；掃描間距30～150μm，；粉末單層厚度20～100μm。

進一步地，所述激光3D打印的條件參數優選為：粉末預熱溫度范圍為500～750℃；激光功率范圍為200～260W；掃描速率為200～600mm/s；掃描間距為50～100μm；粉末單層厚度為30～80μm。

進一步地，所述立方體金屬柱的長度為0.5～2.5mm；寬度和厚度相同，為0.1～0.5mm；六棱柱的高度為1～3mm；底面邊長為0.1～0.3mm。

進一步地，立方體金屬柱的優選條件是：長度為0.5～1.5mm；寬度和厚度相同，為0.1～0.3mm；六棱柱的高度為1～3mm；底面邊長為0.1～0.3mm。

進一步地，所述加固支架，其中三條分別與菱形十二面體蜂巢截面的對應頂點相交，頂點取自兩個不同截面；另一條與蜂巢截面垂直方向的兩頂點相交。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：