一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法技术

本发明专利技术公开了一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法。该方法先通过机械合金化制粉结合等离子体球化、或雾化制备非晶合金粉末，然后采用选择性激光烧结金属粉末，从而制备大尺寸复杂形状的多孔非晶合金零件。本发明专利技术优点在于：克服了水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金临界尺寸小的不足以及造孔剂难选择等问题，实现了大尺寸、多孔非晶合金零件的3D制备成形；可制备出形状复杂的零件，解决了非晶合金材料难以机加工的缺陷；可方便成形多孔结构的非晶合金零件，且孔隙尺寸和体积分数可灵活调节；具有节省原材料、高效率、低成本等优点，适合于产业化的制备非晶合金零件。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法
本专利技术属于3D打印技术与大尺寸非晶合金零件成形
，具体涉及一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法。
技术介绍
非晶合金自上世纪六十年代问世以来，一直备受关注。非晶合金具有独特的玻璃态结构，在保留金属材料特性的同时，兼具比传统晶态合金更加优异的力学、物理与化学性能，在航空航天、军工、化工、医疗、电子、仪器仪表、体育器材等领域具有广阔的应用前景。而多孔非晶合金材料更是由于结合了多孔材料和非晶合金的优点，如轻质、较高的屈服强度、良好的能量吸收性能等，最近几年已经引起人们越来越大的兴趣。尤其是当把非晶合金做成多孔材料时，因孔隙能够限制剪切带的扩展，可以阻碍、转移、甚至开动新的剪切带，从而改变剪切带的分布，促使形成多个剪切带，相应提高了合金的整体塑性。多孔非晶合金在生物医疗方面的应用充分展示了其结构的优势。由于多孔材料的弹性模量低，与人体自然骨弹性模量很好地匹配，解决了应力屏蔽的问题。而多孔材料的孔隙也有利于骨细胞的粘附和生长，实现生物固定。而非晶合金本身更是很好的解决了植入体的腐蚀和磨损所产生的金属毒性问题。因此，多孔非晶合金植入材料将成为未来生物医用材料的研究发展趋势。通常情况下，非晶合金的制备方法一般采用水淬法和铜模铸造法，这两种方法的原理都是给合金熔体提供的冷却速率高于形成非晶合金所需的临界冷却速率，从而合金熔体在达到凝固温度时，其内部原子还未来得及结晶就冻结在液态时所处的位置附近，从而形成无定形结构的非晶态固体。就目前的技术条件而言，具有高非晶形成能力的非晶合金的临界冷却速率通常在100K/s以下。目前，通过设计非晶合金的成分，已经制备出锆基、钛基、铁基、铜基、钴基、镍基等临界冷却速率较低的几种非晶合金。例如，铜模铸造法制得的Zr65Al7.5Ni10Cu17.5块体非晶合金，临界冷却速率只有1.5K/s，其临界尺寸达到13mm；Ti50Cu20Ni25Co5非晶合金的临界尺寸为16mm。总的来讲，目前通过水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金材料一般为棒状或者块状，其最大直径尺寸仍然较小，一般不超过10余毫米。同时，由于非晶合金材料具有的高硬度、高耐磨性与易脆性，使其很难利用机加工技术获得复杂的零件。然而，对于工业中实际使用的许多零件，其尺寸远远大于水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金的临界尺寸，并且其外形复杂，例如医用植入件股骨柄，其长度可达200mm、最大直径可达20～30mm；因此，在目前设备提供的冷却速率受限的条件下，很难利用水淬法和铜模铸造法获得工业应用的大尺寸、复杂形状的非晶合金零件。现阶段，多孔非晶合金一般采用气体发泡法、渗流铸造法、粉末烧结法和快速压铸法来制备。虽然这些工艺都成功制备了多孔非晶合金，但是这些技术还存在多个方面的不足，如工艺复杂、生产效率低、制备成本高等。从对新实验方法、实验设备、工艺成型性、造孔剂的选择制作、材料的成本以及对环境友好等方面还有待展开深入的研究。首先要确保多孔非晶合金单一相的生成，必须确保非晶合金与造孔剂不发生反应。液态金属容易受到孔隙支撑材料的污染，诱发晶体形核；同时孔隙支撑材料的存在降低了合金液的传热效果，这些不利因素的影响，使多孔非晶合金制备尺寸显著降低。其次，由于孔结构特征参数难以控制，确保材料的良好成型性方面还面临着很大的考验。造孔剂的选取、堆积结构以及制备工艺的控制，对探索和完善工艺流程是十分重要的问题。造孔剂要有足够的耐热性和强度，确保其在渗流温度和压力作用下不熔化，不会破坏或者变形；其次具有良好的去除性，能够用溶剂或者水溶液去除；还要具有化学稳定性，在制备过程中不能污染液态金属或成为异质形核的质点。因此，大批量地制备成形出大尺寸、复杂形状的多孔非晶合金零件，成为了当前亟需突破的技术难题。
技术实现思路
为解决现有制备技术获得的非晶合金零件尺寸小、形状简单、难加工等问题，本专利技术的目的在于提供一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法，该方法短流程、低成本、高效率，能实现大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的产业化。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法，具体步骤为：(1)将元素粉末按照特定名义成分配料混合均匀；(2)将步骤(1)混匀的元素粉末，通过机械合金化制成非晶合金粉末并结合等离子球化制粉，获得3D打印粉末材料，或者是通过雾化制粉获得非晶合金粉末直接作为3D打印粉末材料；(3)通过3D打印成形方法将步骤(2)获得的3D打印粉末材料制备成所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件；所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件为连通孔隙的多孔结构，或是致密块体结构与多孔结构结合的复合结构；所述多孔结构中孔隙的体积百分比为10～90％，孔隙直径为50～500μm。利用3D打印技术中的选择性激光烧结成形零件时，熔化的微米级尺寸的金属熔体被周围的固态金属粉末冷却，熔化热被周围的金属粉末迅速传导逸散，类似于固态冷基板对合金液体的淬火作用，其冷却速率在104～105k/s以上，大于目前制备锆基、钛基、铁基、铜基、镍基、钴基、铝基、镁基等许多大块非晶合金所需的临界冷却速率。因此，结合3D打印技术对合金熔体提供的高冷却速率与形成非晶合金所需的低临界冷却速率，本专利技术提出了一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法。在利用选择性激光烧结成形零件的过程中，被熔化的金属熔体被周围的固态粉末进行淬火处理，逐层叠加从而获得多孔非晶合金零件。这种方法制备的非晶合金零件可以突破尺寸和形状限制，得到超大尺寸的非晶合金，还可以成形出形状复杂的多孔非晶合金零件。优选的，所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件非晶相的体积百分比大于50％。优选的，所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的大尺寸是指零件尺寸比水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金零件的临界尺寸至少大5mm。优选的，步骤(2)所述机械合金化制成非晶合金粉末并结合等离子球化制粉的具体步骤如下：(A)将按照特定名义成分配料混合均匀的元素粉末置于球磨机中进行高能球磨，球磨罐内充高纯氩气保护，直至获得成分均匀分布的非晶合金粉末，其中，各元素粉末的平均颗粒尺寸为30～75μm；(B)建立稳定的氩等离子体炬，将球磨后的非晶合金粉末颗粒用氩气携带，经加料枪喷入等离子体炬；(C)进入等离子体炬的非晶合金粉末颗粒在吸收热后熔化，紧接着进入热交换室冷却凝固后，再进入气固分离室中被收集起来，即为所述3D打印粉末材料。优选的，步骤(2)所述雾化制粉的具体步骤如下：用电炉或感应炉将按特定名义成分配料混合均匀的元素粉末熔炼为成分均匀的金属液体；然后将金属液体注入位于雾化喷嘴之上的中间包内，液体由中间包底部漏眼流出；液体流出时，与雾化喷嘴的高速气流相遇雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成非晶合金粉末，即为所述3D打印粉末材料。优选的，步骤(2)所述机械合金化或雾化制粉获得的非晶合金粉末为包括锆基、钛基、铁基、铜基、镍基、钴基、铝基和镁基中的多种的非晶态合金。上述合金成分形成的非晶合金的临界冷却速率小于3D打印设备给合金熔体所提供的冷却速率。优选的，步骤(2)所述机械合金化或雾化制粉获得的非晶合金粉末非晶相的体积百分比大于50％。优选的，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法，其特征在于，具体步骤为：(1)将元素粉末按照特定名义成分配料混合均匀；(2)将步骤(1)混合均匀的元素粉末，通过机械合金化制成非晶合金粉末并结合等离子球化制粉，获得3D打印粉末材料，或者是通过雾化制粉获得非晶合金粉末直接作为3D打印粉末材料；(3)通过3D打印成形方法将步骤(2)获得的3D打印粉末材料制备成所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件；所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件为连通孔隙的多孔结构，或是致密块体结构与多孔结构结合的复合结构；所述多孔结构中孔隙的体积百分比为10～90％，孔隙直径为50～500μm。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的3D成形方法，其特征在于，具体步骤为：(1)将元素粉末按照特定名义成分配料混合均匀；(2)将步骤(1)混合均匀的元素粉末，通过机械合金化制成非晶合金粉末并结合等离子球化制粉，获得3D打印粉末材料，或者是通过雾化制粉获得非晶合金粉末直接作为3D打印粉末材料；(3)通过3D打印成形方法将步骤(2)获得的3D打印粉末材料制备成所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件；所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件为连通孔隙的多孔结构，或是致密块体结构与多孔结构结合的复合结构；所述多孔结构中孔隙的体积百分比为10～90％，孔隙直径为50～500μm；所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件为医用植入件股骨柄和骨填充材料，其具体构成为Zr43.9Cu41.2Al7.9Nb2Ag5、Ti50Cu20Ni25Co5、Zr43.9Cu41.2Al7.9Nb2Hf5、或者Zr43.9Cu41.2Al7.9Nb2Ag5，其长度达100-120mm、最大直径达20-23mm。2.根据权利要求1所述的3D成形方法，其特征在于，所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件非晶相的体积百分比大于50％。3.根据权利要求1所述的3D成形方法，其特征在于，所述大尺寸复杂形状多孔非晶合金零件的大尺寸是指零件尺寸比水淬法和铜模铸造法成形的非晶合金零件的临界尺寸至少大5mm。4.根据权利要求1所述的3D成形方法，其特征在于，步骤(2)所述机械合金化或雾化制粉获得的非晶合金粉末为包括锆基、钛基、铁基、铜基、镍基、钴基、铝基和镁基中的多种的非晶态合金。5.根据权利要求1所述的3D成形方法，其特征在于，步骤(2)所述机械合金化或雾化制粉获得的非晶合金粉末非晶相的体积百分比大于50％。6.根据权利要求1所述的3D成形方法，其特征在于，步骤(2)所述机械合金化制成非晶合金粉末并结合等离子球化制粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，丁智，王芬，李元元，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44