[發明專利]納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金及其增材制造制備方法

有效

• 申請號: 202011051574.3
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112359249B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 任玲;張書源;王海;楊柯
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;B22F10/28;C22C1/04;B33Y10/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

本發明涉及鈦合金材料領域，具體為一種納米晶組織Ti6Al4V?Cu合金及其增材制造制備方法。所述合金的化學成分如下(重量％)：Cu：1?30；Al：5.5?6.5；V：3.5?4.5；余量為Ti。納米晶組織Ti6Al4V?Cu合金的制備方法為：利用選擇性激光熔化技術，激光功率300?400W，掃描速度1000?2000mm·Ssupgt;?1/supgt;，層間偏轉角30?90°，能量密度30?100J·mmsupgt;?3/supgt;。制備所得材料的顯微組織為納米板條組織，板條組織的寬度在20～100nm之間。該納米晶組織Ti6Al4V?Cu合金的抗拉強度≥1200MPa，延伸率≥15％，可在航天航空、醫學材料、工業等領域中應用。

技術領域

本發明涉及鈦合金材料領域，具體為一種納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金及其增材制造制備方法。

背景技術

鈦合金(Ti6Al4V)因具有密度小、延展性好、疲勞性優異和斷裂性能以及比強度高等優點而被廣泛應用于航空航天，化工及生物醫學等領域。選擇性激光熔化(selectivelaser?melting,SLM)工藝是增材制造(additive?manufacturing,AM)技術發展最快、應用最廣泛的技術之一。其特點是使金屬粉末快速熔化和凝固，進而快速成型結構復雜的金屬零件。SLM技術的工作原理是通過預設激光掃描策略使高激光束按照零件截面的成形需求，逐層熔融金屬粉末快速成形金屬零部件。SLM技術具有晶粒細化、避免偏析、節能環保、復雜結構件一次成形等優勢。因此，SLM技術制備結構復雜的Ti6Al4V零部件將在航天航空或醫療器械等領域具有廣闊的前景。

然而，SLM技術逐點逐線逐層的沉積方式產生了由多重非穩態水平和垂直熱循環構成的獨特復雜熱歷史，導致成形過程中Ti-6A1-4V合金的顯微組織是由貫穿初生柱狀β晶粒的針狀馬氏體α'構成，導致材料的力學性能，特別是塑性較差，極大地限制了SLM技術制備Ti6Al4V在航天航空及醫學領域中的應用。

發明內容

發明的目的在于提供一種納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金及其增材制造制備方法，為實現上述目標，本發明的技術方案是：

一種納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金，無論是預合金粉末還是混粉末，按重量百分比計，該鈦合金的化學成分為：Cu：1-30；Al：5.5-6.5；V：3.5-4.5；余量為Ti。合金中雜質元素的含量應符合《鈦及鈦合金牌號和化學成分表》國家標準中的相應要求。

作為優選的技術方案：所述鈦合金中銅含量為重量百分比Cu：3-10。

本發明還提供了上述納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金的增材制造制備方法：

該鈦合金的制備方法為選擇性激光熔化，具體參數為：激光功率300-400W，掃描速度1000-2000mm·S^-1，層間偏轉角30-90°，能量密度30-100J·mm^-3。

制備所得材料的顯微組織為納米板條組織，板條組織的寬度在20～100nm之間(在銅含量優選范圍內，其寬度在20～60nm之間)，該合金在650℃及以下使用3h以內，晶粒不發生粗化長大。

該納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金的抗拉強度≥1200MPa，延伸率≥15％，可在航天航空、醫學器械、工業等領域中應用，尤其適用于骨科植入醫療器械。

本發明的有益效果是：

(1)區別于現有增材制造Ti6Al4V合金的制備方法，本發明所提供的一種納米晶組織Ti6Al4V-Cu合金及其增材制造制備方法不存在貫穿柱狀晶缺陷等缺陷，且顯微組織為納米板條組織。

(2)本發明所述Ti6Al4V-Cu合金具有優異的力學性能，實現了強塑性匹配。