一種3d打印稀土鈦合金材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種3D打印稀土鈦合金材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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。
[0003]3D打印技術(shù)是以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用高能激光束、電子束等方式將金屬線、金屬粉末、陶瓷粉末、或者塑料細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結(jié)最終疊加成型制造出實體產(chǎn)品。這也決定了其打印材料和應(yīng)用方向的不同，會產(chǎn)生一些垂直的發(fā)展領(lǐng)域。
[0004]
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)打印出過運20、殲15的主承力部分的起落架等。
[0005]但是，由于3D打印對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)有的材料還完全滿足上述所有要求。
[0006]激光增材制造，即激光3D打印技術(shù)，是通過激光熔覆的方式，實現(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:(I)原料利用率高；(2)省去模具成本；(3)設(shè)計制備周期短；
(4)無需或僅需要少量后續(xù)加工；(5)可制備傳統(tǒng)技術(shù)無法實現(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、國防、企業(yè)、研究院所的高度重視。
[0007]然而，采用激光3D打印制備鈦合金及構(gòu)件時因為每層都會發(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:(I)強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)熱處理改性過程中金相組織長大；(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】

[0008]本發(fā)明一種3D打印稀土鈦合金材料的方法，通過組分的優(yōu)化，粉體制備的改進以及熱處理過程的優(yōu)化。
[0009 ]本發(fā)明的3D打印稀土鈦合金材料的方法，包括以下步驟: (1)粉體制備:混粉:將單質(zhì)粉末和化合物粉末原料在混粉機中混合均勻，將混合均勻后的粉末進行高能球磨；將球磨后的粉末實施加壓加熱操作，溫度為180-195°c，壓力為950-1050MPa，保壓時間為3-10分鐘;在真空爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為850-1250°C，燒結(jié)保溫時間為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IX10—2-9X10—2Pa,然后在300_450r/min轉(zhuǎn)速下，采用粒度為l_8mm的剛玉球球磨24_48小時;最后用篩選出粒度為15-36μπι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°C烘干；
(3)將坯料加熱焙燒，加熱溫度為700-800°C，保溫時間為I?1.5h，真空度為1.0 X 10—3?10—4Pa;
(4)三重退火處理，將坯料進行首次退火處理，退火溫度為650-700°C，保溫2-4小時，空冷;隨后進行二次退火處理，退火溫度為445-480°C，保溫5-8小時，空冷;最后進行三次退火處理，退火溫度為290-360°(3，保溫10-14小時，空冷；
(5)采用電化學(xué)拋光對步驟(3)獲得的所述半成品進行后處理，得到表面粗糙度介于60μπι ~70μηι的成品，所述單質(zhì)粉末包括Pr和Er。
[0010]進一步地，所述鈦合金粉體的組成包含以下組分(質(zhì)量百分比):附:11-18%，八1:7.3-8.9%，Cu:0.56-0.9%,Zr:1.2-1.7%,Mo:0.2-0.4%,Fe: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Ti。
[0011]進一步地，述鈦合金粉體的組成包含以下組分(質(zhì)量百分比):N1:15.6%，A1:7.6%，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: I.23%，LaB6: I.2%，余量為Ti。
[0012]進一步地，將球磨后的粉末實施加壓加熱操作，溫度為185°C，壓力為1025MPa，保壓時間為5分鐘;在真空爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900°C，燒結(jié)保溫時間為5h;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3X10—2Pa,然后在360r/min轉(zhuǎn)速下，采用粒度為2mm的剛玉球球磨36小時；最后用篩選出粒度為20μηι的合金粉體，以其作為激光3D打印用粉體材料；
進一步地，激光3D打印成型，激光功率240W，掃描速度為1300mm/s，真空或氬氣保護氣氛下打印，將激光打印成型的坯料超聲波清洗12mins，清洗后在120°C烘干。
[0013]進一步地，三重退火處理，將坯料進行首次退火處理，退火溫度為660°C，保溫4小時，空冷；隨后進行二次退火處理，退火溫度為450°C，保溫6小時，空冷;最后進行三次退火處理，退火溫度為3001，保溫12小時，空冷。
[0014]通過合理的成分設(shè)計，通過燒結(jié)再合金化均勻，采用機械合金化獲得合金粉末，制備出均勻的并且兼容性好的合金粉末，過具體熱處理配合，使得鈦合金具有高強度，高彈性模量，和好的伸長率和斷裂韌性，最終導(dǎo)致成品性能高;通過上述具體制備方法參數(shù)的限定與具體合金成分的配合，使得性能穩(wěn)定性達到了 90%以上，具備了較為理想的性能后可更加適用于醫(yī)用鈦合金材料中。
【具體實施方式】
[0015]實施例1 3D打印稀土鈦合金材料的方法，包括以下步驟:
(I)粉體制備:所述鈦合金粉體的組成包含以下組分(質(zhì)量百分比):N1:12.3%，A1:7.8%，Cu: 0.82%，Zr:1.35%，Mo: 0.22%，F(xiàn)e:1.6%,Ag:0.35%,Nd:0.85%,V:0.56%，Pr:1.1%,Er: 1.2%,Y: 1.5%，CeO2: I.8%，LaB6: I.3%，余量為Ti，其由以下方法制備而成，混粉:將上述單質(zhì)粉末和化合物粉末在混粉機中混合均勻，將混合均勻后的粉末進行高能球磨;將球磨后的粉末實施加壓加熱操作，溫度為190°C，壓力為980MPa，保壓時間為5分鐘;在真空爐內(nèi)進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為890°C，燒結(jié)保溫時間為4h;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I X 10—2Pa,然后在330r/min轉(zhuǎn)速下，采用粒度為3mm的剛玉球球磨28小時;最后用篩選出粒度為20μ