基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法及设备技术

本申请提供了一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，包括步骤：S1、制备复合粉末：将纳米TiB2粉末、微米TiB2粉末与Ti6Al4V粉末加入到球磨机中在氩气气氛下进行球磨处理，得到混合均匀的复合粉末；S2、SLM成形：将S1中所得复合粉末用于SLM成形工艺，得到块体试样。本发明专利技术的优势在于：制备得到的增强钛基复合材料中生成的TiBw在Ti基体中分布均匀，而且TiBw还表现出多种长径比混杂的情况，其宏观均匀微观混杂的网状结构有利于抑制变形及裂纹的扩展，使制备出的钛基复合材料硬度提升显著，具有良好的致密度和力学性能。具有良好的致密度和力学性能。具有良好的致密度和力学性能。

【技术实现步骤摘要】
基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法及设备


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，尤其涉及一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法及设备。

技术介绍

[0002]钛合金具有良好的机械性能、优良的耐腐蚀性和较高的生物相容性，已被广泛应用于生物医学、航空航天和汽车工业等领域。然而钛合金的硬度较低，耐磨性较差，导致其在上述领域的应用有着一定的局限性。钛基复合材料是以钛或钛合金为基体，通过原位生成增强相获得的一种复合材料，具有强度高、耐磨性好等一系列优势。TiB晶须具有高化学稳定性、高硬度、高耐磨性等优点，被认为是钛基复合材料中最理想的增强体之一。
[0003]钛基复合材料的性能同样受到制备工艺的影响，传统制备钛基复合材料的主要方法为粉末冶金、铸造、反应热压等工艺技术，然而这些工艺技术都有着不可忽视的局限性，最为典型的是难以制造复杂结构的零部件。选区激光熔化(SLM)工艺无需模具便能实现复杂零件的高自由度近净成形。目前，采用SLM成形增强钛基复合材料的研究较少，且采用的用于反应生成TiBw的前驱体TiB2粉末均为单一粒径尺度，强化效果并不理想。
[0004]如Cai等人采用平均粒径为2.71μm的TiB2粉末，通过SLM成功制备了TiB/Ti6Al4V复合材料，相比SLM制备的Ti6Al4V合金，复合材料的硬度及耐磨性都有所提高，但是复合材料中TiBw分布不均，在某些区域富集，其它区域则较少(In
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situ preparation and formation of TiB/Ti6Al4V nanocomposite via laser additive manufacturing:Microstructure evolution and tribological behavior,Powder Technology 342(2019)73
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84)。Zhou等人采用粒径为100～200nm的TiB2粉末，通过SLM制备了TiB/Ti6Al4V复合材料，其抗拉强度高达1775Mpa，但是复合材料中的TiBw仅为准连续结构,且形态较为单一(Microstructure evolution and mechanical properties of in
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situ Ti6Al4V
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TiB composites manufactured by selective laser melting,Composites Part B:Engineering207(2021)108567)。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，制备得到的增强钛基复合材料中生成的TiBw在Ti基体中分布均匀，而且TiBw还表现出多种长径比混杂的情况，其宏观均匀微观混杂的网状结构有利于抑制变形及裂纹的扩展，使制备出的钛基复合材料硬度提升显著，具有良好的致密度和力学性能。
[0006]本专利技术提供一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]S1、制备复合粉末：将纳米TiB2粉末、微米TiB2粉末与Ti6Al4V粉末加入到球磨机中在氩气气氛下进行球磨处理，得到混合均匀的复合粉末；
[0008]S2、SLM成形：将S1中所得复合粉末置于选区激光熔化设备中，铺粉装置将复合粉
末铺放在成形基板上，通过激光逐层融化复合粉末，凝固后得到块体试样。
[0009]优选的，步骤S1中所述复合粉末各组分的质量分数为：纳米TiB2粉末1.2～3.2％，微米TiB2粉末1.8～4.8％，Ti6Al4V粉末92～97％。
[0010]优选的，步骤S1中所述纳米TiB2粉末平均粒径为100～200nm，微米TiB2粉末平均粒径为1～5μm，Ti6Al4V粉末平均粒径为15～53μm。
[0011]优选的，步骤S2中将复合粉末置于选区激光熔化设备前先要经过真空干燥处理。
[0012]优选的，步骤S1中所述的球磨机转速为100～200rpm，球磨时间为1～3小时。
[0013]优选的，步骤S2中真空干燥的温度为60～90℃，干燥时间为8～10小时。
[0014]优选的，步骤S2中SLM成形的工艺参数为：激光功率50～350W，扫描速度为200～600mm/s，扫描间距为60～100μm，铺粉层厚为30～60μm，基板预热温度为120～180℃。
[0015]优选的，步骤S2后还包括S3、得到增强钛基复合材料：将制备完成的块体试样从基板上切割下来，得到增强钛基复合材料。
[0016]本专利技术具备以下有益效果：
[0017](1)相比于单一粒径尺度的TiB2粉末，采用纳米和微米两种粒径尺度的TiB2作为与Ti发生原位反应的前驱体，不仅使生成的TiBw在Ti基体中分布均匀，而且TiBw还表现出多种长径比混杂的情况，其宏观均匀微观混杂的网状结构有利于抑制变形及裂纹的扩展，使制备出的钛基复合材料硬度提升显著，具有良好的致密度和力学性能。
[0018](2)本专利技术采用粒径呈三峰分布的TiB2/Ti6Al4V复合粉末，其中Ti6Al4V粉末球形度保持较好，纳米级TiB2附着在Ti6Al4V上，微米级TiB2均匀分布在Ti6Al4V粉末周围，并且能够填充Ti6Al4V粉末之间的微米级缝隙。相较于添加单一粒径尺度的TiB2粉末，本专利技术制备的粒径呈三峰分布的复合粉末不仅在SLM铺粉过程中可以获得更好的粉末流动性，并且提高铺粉层的致密度。
[0019](3)相较于传统的机械加工方法，本专利技术基于选区激光熔化技术制备增强钛基复合材料，实现了实体的高自由度近净成形，适于制造具有复杂结构的金属零件，可以满足航空航天、汽车、船舶以及生物医学等领域的需求。
附图说明
[0020]图1为单纯Ti6Al4V粉末(a)和实施例1中复合粉末(b)的扫描电子显微镜形貌对比图；
[0021]图2为SLM成形Ti6Al4V合金(a
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b)及实施例1制备的增强钛基复合材料(c
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d)的微观组织形貌图。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]实施例1
[0024]一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0025]S1、制备复合粉末：将纳米TiB2粉末、微米TiB2粉末与Ti6Al4V粉末加入到球磨机中在氩气气氛下进行球磨处理，得到混合均匀的复合粉末；球磨机转速为100rpm，球磨时间为3小时；复合粉末各组分的质量分数为：纳米TiB2粉末1.2％，微米TiB2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、制备复合粉末：将纳米TiB2粉末、微米TiB2粉末与Ti6Al4V粉末加入到球磨机中在氩气气氛下进行球磨处理，得到混合均匀的复合粉末；S2、SLM成形：将S1中所得复合粉末置于选区激光熔化设备中，铺粉装置将复合粉末铺放在成形基板上，通过激光逐层融化复合粉末，凝固后得到块体试样。2.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述复合粉末各组分的质量分数为：纳米TiB2粉末1.2～3.2％，微米TiB2粉末1.8～4.8％，Ti6Al4V粉末92～97％。3.根据权利要求2所述的基于选区激光熔化的增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述纳米TiB2粉末平均粒径为100～200nm，微米TiB2粉末平均粒径为1～5μm，Ti6Al4V粉末平均粒径为15～53μm。4.根据权利要求1所述的基于选区激光熔化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵昕，李萌蘖，陆鑫，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：