[發明專利]一種含Si高強低模醫用鈦合金及其增材制造方法與應用

有效

• 申請號: 202010009147.2
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111118339B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 李元元;楊超;羅炫
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04;B22F1/00;B22F9/08;B22F9/14;B22F10/28;B33Y70/00;B33Y10/00;A61L27/02;A61L27/06;A61L27/50;A61L27/54
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李本祥

1.一種含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)合金成分設計：基于低彈性模量TiNbTaZr系合金，添加0.1～5at.％生物活性元素Si，再根據d電子理論，計算合金的平均結合次數(Bo)_i為合金元素i與基體合金元素的d電子云重迭確定的共價鍵能；合金平均d電子軌道能級為(Md)_i為合金元素i的M-d能級的平均值，i為合金元素Nb、Ta，X_i為合金元素i的原子百分比；根據關系圖的β-Ti區，使計算的和值落在關系圖的亞穩β-Ti區，再根據Ti-Zr-Si三元相圖選取偏離共晶點并靠近Si在Ti中最大固溶度的合金成分范圍，設計含Si高強低模醫用鈦合金成分組成為Ti 60～70at.％，Nb 16～24at.％，Zr 4～14at.％，Ta 1～8at.％，Si 0.1～5at.％，按照成分組成以海綿鈦、海綿鋯、鉭鈮中間合金、硅單質為原材料配制合金組分；

(2)制粉：把Ti、Nb、Zr、Ta和Si各元素按步驟(1)含量進行配料，采用真空自耗電弧熔煉爐進行熔煉，制備合金棒材，通過電極感應熔煉氣體霧化法或等離子旋轉電極霧化制粉法制備鈦合金粉末并進行篩分處理，獲得適用于增材制造的顆粒尺寸范圍的球形粉末；

(3)模型構建與基板預熱：構建所需制備結構零件的三維模型，完成切片處理并生成打印文件，激光選區熔化基板預熱溫度為150℃～650℃，電子束選區熔化基板預熱溫度為650℃～1200℃；

(4)增材制造成形：采用激光選區熔化或電子束選區熔化成形設備進行增材制造成形，得到高強低模醫用鈦合金；關鍵的成形參數為：50％≤熔道搭接率μ≤80％，1000mm/s≤掃描速度V≤10000mm/s；采用激光選區熔化成形時激光器輸入功率為P，140W≤P≤360W、激光掃描間距h介于20～80μm，采用電子束選區熔化成形時電子槍電流為I，8mA≤I≤100mA、電子束掃描間距h介于20～200μm；

所得的高強低模醫用鈦合金的組織特征為：以柱狀晶和等軸晶的β-Ti為基體，以晶內均勻分布的球狀(Ti,Zr)₂Si相和晶界不連續分布的(Ti,Zr)₂Si相為增強相；其中，β-Ti晶粒大小為1～13μm，球狀(Ti,Zr)₂Si相晶粒大小為50～300nm；晶界不連續分布的(Ti,Zr)₂Si相為長條狀，寬度為30～200nm，長徑比為1～6。

2.根據權利要求1所述的含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于：步驟(1)中，

3.根據權利要求1所述的含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于：步驟(2)所述的真空自耗電弧熔煉的過程為：將配制好的原材料壓制成電極，電極大小控制在比坩堝小50～70mm之間；電極與熔池之間的間隙控制在60～80mm之間；熔煉速度為20kg/min；兩次重熔獲得鑄錠，成分無明顯偏析。

4.根據權利要求1所述的含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于：步驟(2)所述的電極感應熔煉氣體霧化法為：將熔煉好的鑄錠機加工成φ45mm×550mm的棒材，表面無明顯氧化，將棒材一端機加工成45°圓錐，霧化壓力為3.5～4.5MPa，熔煉功率為20～30kW，進給速度為35～45mm/min，整個環境處于惰性氣體保護。

5.根據權利要求1所述的含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于：步驟(2)所述的等離子旋轉電極霧化制粉法為：將熔煉好的鑄錠機加工成φ60mm×650mm的棒材，表面無明顯氧化，霧化功率為50～60kW，旋轉速度為16000～18000r/min，整個環境處于惰性氣體保護。

6.根據權利要求1所述的含Si高強低模醫用鈦合金的增材制造方法，其特征在于：步驟(4)所述的搭接率其中w是熔池寬度，單位μm；h是掃描間距，單位為μm。