一種電子束快速成形Ti-6Al-4V三維金屬零件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及電子束加工技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種電子束快速成形T1-6A1-4V高性能三維金屬零件的方法，該方法適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)T1-6A1-4V金屬零件的快速成形制備。
【背景技術(shù)】
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[0002]電子束溶化逐層成型技術(shù)(AdditiveFabricat1n via Electron EeamMelting1AM-EBM)是近年快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)之一。EBM技術(shù)以電子束為能量源，通過對(duì)零件的三維數(shù)字模型分層切片處理，使其離散成一系列二維數(shù)據(jù)文件，然后按照每一層的文件信息通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電子束移動(dòng)將金屬粉末逐層熔融堆積，最終得到與設(shè)計(jì)文件完全一致的樣件。該技術(shù)集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控、電子束加工、新材料開發(fā)等多學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用，能夠快速制備精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件，具有高精度、高效率和高性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，受到了各國(guó)學(xué)者和研究人員的密切關(guān)注。
[0003]與另一種快速成形技術(shù)-激光快速成形技術(shù)相比，EBM技術(shù)制備的金屬零件殘余內(nèi)應(yīng)力低，成形效率高，在生產(chǎn)大尺寸三維金屬零件方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是EBM技術(shù)生產(chǎn)的零件性能與EBM工藝參數(shù)密切相關(guān)，對(duì)于不同的金屬需要相對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制備。在EBM法制造樣品過程中，輸入能量、電子束掃描速度等制備工藝參數(shù)以及樣品尺寸、堆積方向等均會(huì)影響各分層面的融化及凝固速率，進(jìn)而影響樣品的組織及性能。
[0004]鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、彈性模量低、抗腐蝕性優(yōu)異和良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，常需要一些具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的金屬零件。對(duì)鈦合金來(lái)說(shuō)，采用常規(guī)加工方法加工這些部件具有很大難度，并且成本很高。而采用EBM法進(jìn)行這些金屬零件的加工制備具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)這些零件的工業(yè)規(guī)模高效快速制備。目前各國(guó)學(xué)者已針對(duì)上述因素對(duì)EBM法T1-6A1_4V合金制品的組織及性能影響開展了研究(Nikolas H, Timothy Q.MaterSci Eng A,2013;573:271；Nikolas H,Timothy Q.Mater Sci Eng A,2013;573:264 ;Murr L E,Esquivel E V,Quinones S A,Gaytan S M, Lopez M I, Martinez E Y, MedinaF,Hernandez D H, Martinez E, Martinez J L,Stafford S ff, Brown D K, Hoppe T,MeyersW, Lindhe U, Wicker R B.Materials Characterizat1n, 2009; 60:96)。但這些研究只局限于工藝參數(shù)對(duì)T1-6A1-4V合金拉伸性能的影響，缺乏對(duì)疲勞性能、沖擊性能及缺口敏感性能的影響。此外，EBM產(chǎn)品的后處理(熱等靜壓和熱處理)對(duì)其力學(xué)性能的應(yīng)先還沒有人涉及。
[0005]因此，需要研究電子束輸入能量、樣品尺寸等工藝參數(shù)、熱等靜壓及熱處理等后處理技術(shù)對(duì)EBM法制備的T1-6A1-4V合金力學(xué)性能的影響，獲得高效制備優(yōu)異力學(xué)性能T1-6A1-4V三維金屬零件的電子束快速成形方法，更好的服務(wù)于醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的是提供一種電子束快速成形T1-6A1_4V三維金屬零件的方法，解決目前高效快速制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)T1-6A1-4V三維金屬零件的難題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0008]一種電子束快速成形T1-6A1_4V三維金屬零件的方法，具體步驟如下:
[0009](l)T1-6Al_4V三維金屬零件制備，以Ti_6Al_4V粉末為原材料，采用電子束熔融金屬成型技術(shù)制備T1-6A1-4V塊三維金屬零件；
[0010](2) T1-6A1-4V三維金屬零件熱等靜壓處理，對(duì)Ti_6Al_4V三維金屬零件在800°C?1000°C進(jìn)行熱等靜壓處理；
[0011](3) T1-6A1-4V三維金屬零件熱處理，對(duì)Ti_6Al_4V三維金屬零件在700°C?1000°C進(jìn)行退火處理和400°C?600°C進(jìn)行時(shí)效處理，最終獲得優(yōu)異力學(xué)性能的Ti_6Al_4V
三維金屬零件。
[0012]所述步驟(I)中，首先在基板表面均勻鋪一層T1-6A1_4V金屬粉末，然后用電子束在真空室內(nèi)將所述金屬粉末逐層熔化、沉積，通過控制電子束熔化工藝參數(shù)、堆積成形參數(shù)，直至整個(gè)三維零件制造完成。
[0013]所述步驟(I)中，T1-6A1-4V粉末為球形，直徑為30 μ m?150 μ m。
[0014]所述步驟(I)中，電子束熔融金屬成型技術(shù)的工藝參數(shù)范圍為，電子束電流為5?30mA，掃描速度為 1000 ?20000mm/s。
[0015]為保證三維零件整體組織及力學(xué)性能均勻，零件初始成形高度應(yīng)控制在距基板1mm?30mm。為保證三維零件整體組織及力學(xué)性能均勻，盡可能使堆積方向垂直于基板方向。為保證三維零件整體組織及力學(xué)性能均勻，零件壁厚應(yīng)大于2mm。
[0016]所述步驟(2)中，T1-6A1_4V熱等靜壓的具體參數(shù)為:熱等靜壓加熱溫度為800°C?1000°C，保溫時(shí)間為I?3h，所加壓力為100?200MPa，冷卻方式為爐冷。
[0017]所述步驟(3)中，T1-6A1-4V三維金屬零件熱處理采用兩相區(qū)二步熱處理,具體步驟為:
[0018](I)兩相區(qū)退火處理；
[0019](2)兩相區(qū)時(shí)效處理。
[0020]所述兩相區(qū)退火處理所用設(shè)備為真空熱處理爐，熱處理溫度為700°C?1000°C，保溫時(shí)間為I?3h，冷卻速度為I?3°C /min ；
[0021]所述兩相區(qū)時(shí)效處理所用設(shè)備為真空熱處理爐，熱處理溫度為400°C?600°C，保溫時(shí)間為I?3h,冷卻速度為8?15°C /min。
[0022]本發(fā)明中，電子束熔融金屬成型技術(shù)(Electron Beam Melting)簡(jiǎn)稱EBM技術(shù),是近年來(lái)一種新興的先進(jìn)金屬快速成型制造技術(shù)，其原理是將零件的三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入EBM設(shè)備，然后在EBM設(shè)備的工作艙內(nèi)平鋪一層微細(xì)金屬粉末薄層，利用高能電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)聚焦后，在焦點(diǎn)所產(chǎn)生的高密度能量使被掃描到的金屬粉末層在局部微小區(qū)域產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致金屬微粒熔融，電子束連續(xù)掃描將使一個(gè)個(gè)微小的金屬熔池相互融合并凝固，連接形成線狀和面狀金屬層。
[0023]本發(fā)明中，采用的電子束熔融金屬成型設(shè)備為常規(guī)技術(shù)，如:泛亞特科技有限公司生產(chǎn)的Arcam Al電子束熔煉EBM系統(tǒng)(Electron Beam Melting)，其工藝參數(shù)范圍為:電子束電流為5?30mA，掃描速度為1000?20000mm/s。該系統(tǒng)直接從CAD到成品制造完成的全自動(dòng)化系統(tǒng)，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金三維零件批量生產(chǎn)工具，通過金屬粉末在高能電子束的轟擊下，一層一層的生長(zhǎng)，每層的形狀都通過三維CAD控制，利用電子束熔煉系統(tǒng)，可以達(dá)到高的熔煉能力和生產(chǎn)率。
[0024]本發(fā)明方法制備的T1-6A1_4V三維金屬零件拉伸強(qiáng)度高于900MPa，延伸率高于10%，疲勞強(qiáng)度高于500MPa，抗沖擊性能高于30J/cm2，其綜合力學(xué)性能明顯高于鑄件和鍛件。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026]1、本發(fā)明采用電子束熔融金屬成型技術(shù)制備高性能T1-6A1_4V三維金屬零件，產(chǎn)品的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全可控，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)體化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維金屬零件的制備；其制備工藝簡(jiǎn)單，成本明顯低于機(jī)械加工等其他制備手段，生產(chǎn)效率高，適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。
[0027]2、本發(fā)明通過控制電子束熔融金屬成型方法制備T1-6A1_4V三維金屬零件工藝過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化、后期熱等靜壓和熱處理等環(huán)節(jié)，能夠獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)T1-6A1-4V三維金屬零件，在醫(yī)療、航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0028]3、本發(fā)明通過對(duì)T1-6A1_4V三維金屬零件在800°C?1000°C進(jìn)行熱等靜壓處理，400°C?1000°C之間進(jìn)行退火和時(shí)效兩步熱處理，獲得拉伸強(qiáng)度高于900MPa，延伸率高于10%，疲勞強(qiáng)度高于500MPa，抗沖擊性能高于30J/cm2，通過熱等靜壓和熱處理工藝控制EBM法T1-6A1-4V三維金屬零件的力學(xué)性能，從而獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金三維構(gòu)件。
[0029]總之，本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，成形零件精度高，適用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明通過電子束工藝參數(shù)、熱等靜壓工藝以及熱處理工藝控制T1-6A1-4V成形材料的力學(xué)性能，從而獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能的T1-6A1-4V復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維零件，可在航天、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
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[0030]圖1(a)為人體頭顱骨CAD模型；
[0031]圖1(b)為T1-6A1_4V人體頭顱骨模擬件；
[0032]圖2為T1-6A1_4V合金粉末形貌；
[0033]圖3(a)國(guó)際象棋棋子CAD模型；
[0034]圖3(b)為T1-6A1_4V國(guó)際象棋棋子；
[0035]圖4(a)為髖臼杯CAD模型；
[0036]圖4(b)為 T1-6A1-4V 髖臼杯；
[0037]圖5(a)為CAD空心球模型；
[0038]圖5(b)為 T1-6A1_4V 空心球。
【具體實(shí)施方式】
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[0039]本發(fā)明中，首先采用CAD軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)好的圖形文件導(dǎo)入Magics軟件進(jìn)行圖形糾錯(cuò)和優(yōu)化，以保證電子束熔融金屬成型過程的順利進(jìn)行；將優(yōu)化處理后的圖形文件轉(zhuǎn)換成abf格式文件導(dǎo)入電子束熔融金屬成型設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以T1-6A1-4V粉末為原材料利用電子束熔融金屬成型設(shè)備制備T1-6A1-4V三維金屬零件。
[0040]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0041]實(shí)施例1
[0042]如圖1(a)所示，利用CAD軟件設(shè)計(jì)人體頭顱骨模型模型，壁厚為3_。以T1-6A1_4V合金粉末(圖2，粉末直徑為50?80μπι)為原料，采用Arcam Al型電子束熔融設(shè)備制備T1-6A1-4V人體頭顱骨模型，電子束掃描速度為10000mm/S，電子束電流為18mA，