一种3D打印钴铬合金的后处理方法技术

本发明专利技术公开了一种3D打印钴铬合金的后处理方法，该方法是一种基于SPS技术的快速热处理的方法。利用SPS技术直接给3D打印件加热，通过改变SPS工艺参数，快速调控3D打印钴铬合金的显微组织，释放打印件残余应力。该工艺步骤包括：线切割‑装样‑SPS技术快速处理。采用本方法处理的3D打印件，显微组织均匀，晶粒细小，基本无残余应力，打印件具有优异的力学性能。本发明专利技术解决了传统退火处理导致的晶粒粗大、低效率、有害相和过量第二相析出等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印钴铬合金的后处理方法
本专利技术属于3D打印材料加工
，涉及一种3D打印钴铬合金的后处理方法。
技术介绍
3D打印是一种绿色制造、智能制造技术，以其快速成型、复杂形状加工、设计制造一体化等优势，迅速成为各国工业制造发展的热点技术。我国政府高度重视3D打印产业的发展，并将3D打印作为加快制造业转变发展方式和提升增效升级的重要技术。目前，3D打印技术已经从研发转向产业化应用，特别是在航空航天、国防军工和生物医学等领域。钴铬合金具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，良好的生物相容性，广泛应用于生物医用领域，可以用来制作齿科、人工关节连接件等。目前，3D打印已经成为钴铬合金修复体(医疗器械)的主要制作方法。但是，3D打印钴铬合金在临床应用中出现变形、寿命短、组织和修复体结构不稳定等问题，这些问题与3D打印件的后处理有密切关系。金属3D打印技术主要包括：选区激光熔覆技术、选区激光烧结技术、熔化液滴喷射成形技术、电子束熔化成形技术和电子束熔覆成形技术等，其中选区激光熔覆技术和选区激光烧结技术是应用最广泛的两种技术，钴铬合金3D成形也主要采用这两种技术。3D打印技术可以快速的制造金属零部件，这主要是因为大功率、高密度、连续工作的激光器可以快速的熔化金属粉末，并通过基板的传热快速凝固成型。但是快速的熔化和凝固会产生大量的残余应力，这对工件的力学性能有很大的影响，特别是影响其疲劳性能。因此，3D打印件制作完成后需要进行合适的后处理来消除残余应力和改善显微组织。目前通常使用的后处理方法是去应力退火处理，但是传统的去应力退火处理是在加热炉(真空或非真空)内通过热辐射、对流等方式进行加热，大部分热量都炉体内散热损失了，能量利用率低。而且，钴铬合金的退火温度在1000℃以上，这对热处理炉有很好的要求。另外，3D打印工件的显微组织处于过饱和状态，对温度非常敏感，传统的去应力退火处理一般持续的时间比较长(4-10个小时)，长时间的高温退火会导致晶粒粗大和金属间化合物大量析出，甚至会析出大量的有害相，导致材料变脆。目前真空感应热处理也有不少报道，但也存在能量利用率低、工期长、组织不均匀等问题(3-5个小时)。采用电火花等离子体烧结技术可以快速的升温到1000℃以上(1℃/min-1000℃/min)，其原理是：当直流脉冲电流通过金属材料时，其自身内阻会产生焦耳热(热效应)，直接对材料进行加热(中国专利：CN110205573A和CN110129701A)。SPS技术的效果是：一方面通过材料自身的热效应快速的消除残余应力；另一方面，高能量密度的电子可以促进原子迁移，改善3D打印后过饱和的显微组织，从而获得均匀的显微组织。因此，SPS技术有望成为替代传统去应力退火处理的3D打印件后处理方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种3D打印钴铬合金的后处理方法，利用SPS技术直接给3D打印件加热，快速消除由于快速熔化和快速凝固产生的残余应力；同时，通过直流脉冲电流的高能量密度的电子，改善3D打印后过饱和的显微组织，从而获得均匀的显微组织。本专利技术旨在解决传统退火处理导致的晶粒粗大、低效率、有害相和过量第二相析出等问题。本专利技术的技术方案：将3D打印后的钴铬合金采用SPS技术进行处理，通过改变SPS工艺参数，快速调控3D打印钴铬合金的显微组织，消除打印后的残余应力。本专利技术所述的一种3D打印钴铬合金的后处理方法，其工艺步骤如下：(1)采用电火花线切割技术将3D打印的钴铬合金切割成以下尺寸：长方体：(10-100)mm×(10-100)mm×(50-200)mm；或圆柱体：Ф(10-120)mm×(50-200)mm；(2)将步骤(1)的3D打印件放入SPS设备的石墨电极中，无载荷施加，在真空环境或惰性气体保护下按照SPS处理工艺快速加热、保温和冷却。作为优选，上述方法的步骤(1)中，3D打印钴铬合金是采用选区激光熔覆技术或选区激光烧结技术制备而成。作为优选，上述方法的步骤(2)中，工件与石墨电极接触的两端面要平行、平整、无氧化皮。作为优选，上述方法的步骤(2)中，所述真空环境的真空度应高于1.0×10-1Pa；所述的惰性气体为高纯氦气或高纯氩气。作为优选，上述方法的步骤(2)中，所述的SPS处理工艺为：以100℃/min-200℃/min的升温速率加热到500℃-600℃，保温时间为5-10min，然后再以200℃/min-300℃/min的升温速率加热到1000℃-1200℃，保温时间为10-20min，最后炉冷至室温。本专利技术所述的一种3D打印钴铬合金的后处理方法，3D打印钴铬合金的后处理时间小于40min。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术所述的后处理方法能够快速消除3D打印钴铬合金的残余应力，防止钴铬合金修复体在临床应用中由于过大的残余应力而导致变形失效。(2)本专利技术所述的后处理方法能够快速的调控3D打印件的显微组织。3D打印钴铬合金的相组成为：90％以上的fcc结构的γ-Co固溶体，少量的hcp结构的ε-Co固溶体和少量的析出第二相。3D打印钴铬件的显微组织对温度非常敏感，容易在高温下析出大量的第二相(金属间化合物等)，导致材料脆化；另外，在高温下，钴铬合金的稳定相为γ相，但在室温下稳定相为ε相，因此，降温过程中钴铬合金显微组织会发生γ→ε的相变(一般称为马氏体相变)，特别是在800℃-950℃温度范围内，极易发生马氏体相变。ε相一般为针状或网格状，有撕裂基体的作用。常规的退火处理时间较长，特别是通过相变区的时间较长，导致材料显微组织发生大量的马氏体相变，不利于临床使用；同时长时间的高温热处理会使得晶粒变大，大量金属间化合物析出，也不利于材料的使用。基于SPS技术的后处理方法可以快速的通过相变区，后处理时间短，另外高能电子的移动也会使得聚集在熔覆道的溶质原子发生迁移，有利于组织的均匀化。(3)本专利技术所述的后处理方法能够快速的完成3D打印钴铬件的后续处理。传统热处理工艺(真空或非真空)需要花费4-10个小时完成3D打印件的后续处理，既不利于3D打印件显微组织的调控，也不节省能源(低效率)。采用SPS技术处理工艺是利用材料自身内阻产生的焦耳热(热效应)实现对组织的调控和消除残余应力，可以在40min内完成3D打印钴铬件的后续处理，大大提供加工厂的生产效率。(4)本专利技术所述的后处理方法适合用于3D打印钴铬合金的后续处理。3D打印件的显微组织的特点：晶粒或亚晶细小，甚至达到纳米级别；熔覆道边缘有大量聚集的溶质原子；显微结构成胞状或柱状等。3D打印件有大量的晶界(晶粒细小导致)，当直流脉冲电流通过材料时，晶界与晶界间的内阻要明显高于晶内的内阻，会在晶界处快速发热，产生热效应，由自身内阻产生的热效应明显优于由热辐射或对流产生的热效应，因此，可以实现对3D打印钴铬合金的快速加热。附图说明图1为SPS技术原理示意图。图2为基于SPS技术的后处理工艺图。图3为使用SPS技术处理3D打印本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印钴铬合金的后处理方法，其特征在于，将3D打印的钴铬合金采用放电等离子体烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）技术进行处理，通过改变SPS工艺参数，快速调控3D打印钴铬合金的显微组织，消除打印后的残余应力。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印钴铬合金的后处理方法，其特征在于，将3D打印的钴铬合金采用放电等离子体烧结（SparkPlasmaSintering,SPS）技术进行处理，通过改变SPS工艺参数，快速调控3D打印钴铬合金的显微组织，消除打印后的残余应力。


2.权利要求1所述的一种3D打印钴铬合金的后处理方法，其特征在于，工艺步骤如下：
（1）使用电火花线切割机将3D打印钴铬合金切割成以下尺寸：
长方体：（10-100）mm×（10-100）mm×（50-200）mm；
或圆柱体：Ф（10-120）mm×（50-200）mm；
（2）将步骤（1）切割好的3D打印钴铬合金件放入SPS设备的石墨电极中，无载荷施加，在真空环境或惰性气体保护下按照SPS处理工艺快速加热、保温和冷却。


3.根据权利要求1或2所述的一种3D打印钴铬合金的后处理方法，其特征在于，3D打印钴铬合金是采用选区激光熔覆技术或选区激光烧结技术制...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜士宇，
申请(专利权)人：临沂迈得新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37