基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法及复合材料技术

本公开了一种基于3D打印技术制备拓扑结构钛基复合材料的方法，采用气体雾化法将等轴晶组织的钛基复合材料铸锭制成高品质钛基复合材料粉末，再利用3D打印技术对制得的粉末打印出具有gyroid曲面结构的多孔钛基复合材料。本发明专利技术制备的钛基复合材料，在700℃条件下的抗拉强度达621MPa以上，延伸率达15.4％以上，同时具备优异的室温强度及塑性。此外，本发明专利技术组织为等轴晶组织，且材料成分均匀，gyroid曲面的多孔拓扑结构能够改善应力分布，具有广泛的应用前景。的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法及复合材料


[0001]本专利技术涉及钛基复合材料领域，具体涉及一种基于3D打印技术制备拓扑结构钛基复合材料的方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有高比强度、优异耐蚀性和生物兼容性，已被广泛应用航空航天、石油化工、生物医疗等领域。随着现代航天工业的迅速发展，特别是近年来高马赫飞行器、卫星和运载火箭等对关键部件材料的耐高温要求不断提高，尤其是超高速音速飞行过程中产生的壳体热障效应，导致表面温度短时到达700℃，即要求材料能在700℃的高温下能够正常工作0.5～2h。然而，传统钛合金耐高温性能差，一般在600℃强度低于680MPa，难以满足需求，因此，提高钛合金的耐高温性能成为当下研究热点。
[0003]据报道，在钛合金基体中加入一定量的增强体颗粒形成钛基复合材料，可以有效提高钛合金的比强度、比刚度及服役温度。与钛合金相比，钛基复合材料的使用温度可提高约100～200℃。传统的外加法制备钛基复合材料存在工艺复杂、增强体分布不均匀与界面结合强度低等缺点。为了避免上述缺点，发展了利用高温处理过程中组成元素之间的放热反应生成增强相的原位自生法，其具有工艺简单，增强体与基体浸润性好、界面结合牢固、界面干净等优点。TiC和Ti5Si3颗粒具有较优异的性能，如弹性模量高、抗蠕变性能好、抗氧化性能好，近来年受到研究者广泛的关注。
[0004]目前，制备原位钛基复合材料的方法主要有反应热压烧结、机械合金化、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、粉末冶金等方法。这些方法在熔炼前需多次制备电极，且涉及粉末制备过程，不可避免地遭受油性介质及气体的污染，故成型材料的晶界处一般会形成玻璃相，导致材料在高温服役环境中强度急剧下降；另外，这些制备方法制得的复合材料形状简单、成分偏析严重、致密性低、性能差，通常需要后续二次加工处理，如后期高温处理，工序繁琐，能耗巨大，增加了生产成本。
[0005]激光3D打印是近年来新发展的一项先进制造技术，其基于零件的计算机辅助设计模型，将金属粉末以一定的供粉速度送入激光聚焦区域内，快速熔化凝固，进而实现高致密度、形状复杂且组织独特的复合材料零件的制备。Wang等人((Wang F et al.Direct laser fabrication of Ti
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6A1
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4V/TIB,Journal Mater Process Technol,2008,195(1
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3):321
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326)利用TiB2与Ti
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6Al
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4V粉末激光3D打印技术制备出TiB/Ti
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6Al
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4V复合材料，结果表明加入5wt.％TiB2得到的TiB/Ti
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6Al
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4V复合材料室温拉伸强度为1094MPa，但其组织内部存在未熔融的TiB2颗粒且增强相TiB短纤维内部存在中空缺陷，进而导致其塑性偏低。因此，针对航空航天领域的耐高温复杂形状构件，发展具有良好组织与性能的钛基复合材料及短流程制备技术对于推动钛基复合材料的进一步发展具有重大的意义，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于3D打印技术制备拓扑结构钛基复合材料的方法，采用气体雾化法将等轴晶组织的钛基复合材料铸锭制成高品质钛基复合材料粉末，再利用3D打印技术对制得的粉末打印出具有gyroid曲面的多孔钛基复合材料。本专利技术制备的钛基复合材料，在700℃条件下的抗拉强度达621MPa以上，延伸率达15.4％以上，同时具备优异的室温强度及塑性。此外，本专利技术组织为等轴晶组织，且材料成分均匀，gyroid曲面的多孔拓扑结构能够改善应力分布，具有广泛的应用前景。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法，包括：
[0009](1)以Si粉、C粉和块状钛合金为原料，真空熔炼后得到钛基复合材料铸锭；
[0010](2)将钛基复合材料铸锭依次进行固溶处理和双级时效处理，得到等轴晶组织的铸锭；
[0011](3)采用气体雾化法对等轴晶组织的铸锭进行制粉，得到钛基复合材料粉末；
[0012](4)利用钛基复合材料粉末进行3D打印，并对3D打印所得产物进行退火，得到拓扑结构钛基零件。
[0013]进一步的，所述步骤(1)中，以纯度高于99.95％的Si粉、C粉和块状钛合金为原料，在真空度为10
‑3～10
‑4Pa的真空自耗电弧炉或真空感应熔炼炉中进行3～4次反复熔炼，得到钛基复合材料铸锭。
[0014]进一步的，所述步骤(1)中，块状钛合金为去除表面氧化皮后的块状钛合金。
[0015]进一步的，所述步骤(2)中，将钛基复合材料铸锭进行固溶处理的条件为：在950～1050℃再结晶温度区间内保温1～2h，随后水淬；
[0016]将钛基复合材料铸锭进行双级时效处理的条件为：
[0017]第一级时效处理温度为700～800℃，保温6～8h；
[0018]第二级时效处理温度为550～650℃，保温6～8h，并随炉冷却。
[0019]所述步骤(2)中，所得等轴晶组织的铸锭包含Ti5Si3相和TiC相。
[0020]进一步的，所述步骤(3)中，气体雾化法的雾化介质为纯度为99.999％的高纯氩气，雾化压力为3～5MPa，雾化喷嘴带有超声装置，所述超声装置产生超声波的脉冲频率为50～100KHz。
[0021]进一步的，所述步骤(3)中，所得钛基复合材料粉末所含氧元素的质量低于0.1％；钛基复合材料粉末为粒径30～60μm且呈单峰正态分布特征的球形粉末。
[0022]进一步的，所述步骤(4)中，将3D打印所得产物置于真空热处理炉中进行退火，退火处理的温度区间为600～800℃，时间为2～4h。
[0023]进一步的，所述步骤(4)中，所得拓扑结构钛基零件为具有gyroid曲面的多孔拓扑结构钛基零件，拓扑结构钛基零件的孔径为400～1200μm，杆径为1～3mm，孔隙率40～80％。
[0024]进一步的，所述步骤(4)中，3D打印参数为：激光功率200～400W，扫描速为600～1000mm/s，扫描间距80～120μm，层厚为30～50μm。
[0025]一种拓扑结构钛基复合材料，根据上述基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法得到。
[0026]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0027](1)本专利技术制备拓扑结构钛基复合材料的方法中，各原料经真空熔炼制成铸锭的过程中，原位反应产生了TiC和Ti5Si3增强相，增强相与与钛基体界面结合良好，有效提高了复合材料的力学性能；
[0028](2)本专利技术用于3D打印的钛基复材粉末是在成分均匀的等轴晶铸锭上利用气体雾化法制备出的，避免本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)以Si粉、C粉和块状钛合金为原料，真空熔炼后得到钛基复合材料铸锭；(2)将钛基复合材料铸锭依次进行固溶处理和双级时效处理，得到等轴晶组织的铸锭；(3)采用气体雾化法对等轴晶组织的铸锭进行制粉，得到钛基复合材料粉末；(4)利用钛基复合材料粉末进行3D打印，并对3D打印所得产物进行退火，得到拓扑结构钛基零件。2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，以纯度高于99.95％的Si粉、C粉和块状钛合金为原料，在真空度为10
‑3～10
‑4Pa的真空自耗电弧炉或真空感应熔炼炉中进行3～4次反复熔炼，得到钛基复合材料铸锭。3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，块状钛合金为去除表面氧化皮后的块状钛合金。4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印制备拓扑结构钛基复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将钛基复合材料铸锭进行固溶处理的条件为：在950～1050℃再结晶温度区间内保温1～2h，随后水淬；将钛基复合材料铸锭进行双级时效处理的条件为：第一级时效处理温度为700～800℃，保温6～8h；第二级时效处理温度为550～650℃，保温6～8h，并随炉冷却。所述步骤(2)中，所得等轴晶组织的铸锭包含Ti5Si3相和TiC相。5.根据权利要求1所述的一种基于3...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂敬敬，孙京丽，周海涛，夏先朝，汪彦博，肖旅，袁勇，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：