【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于医用钛合金制备领域，具体涉及一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法。
技术介绍
1、商业纯钛(commercial pure titanium，cp-ti)作为目前应用最为广泛医用植入物材料，具有优良的生物相容性。但是，其综合力学性能较差，在使用过程中容易发生灾难性断裂。通过在cp-ti基体中引入间隙氧原子、利用氧原子固溶强化机制制备的ti-o合金材料，能够有效地提高钛基材料的强度，同时保持其生物安全性。但是，在钛基体中添加的氧含量过低时对材料的强度提升有限，引入过量的氧元素又会导致材料塑性明显降低。文献1报道在悬浮熔炼制备cp-ti材料中引入0.082～0.268wt.％的低含量氧元素，发现所制备的ti-o材料屈服强度从280mpa仅增加至400mpa，但是其延伸率下降很小。文献2通过粉末冶金的方法制备了氧含量在0.21～1.23wt.％范围内的ti-o材料，其极限强度随着氧含量的增加从609mpa提高至1182mpa，但是其延伸率从26.9％降低至4.2％。由于医用植入体在人体内动载荷条件下长期服役，需要兼具有高的强度和一定抵抗微裂纹扩展的能力。因此，对于制备新型ti-o合金材料，需要精确控制材料氧元素的含量和分布的均匀性，从而保证制备材料具有良好的强和塑性。
2、然而，现有关于固溶氧强化钛基材料的研究主要建立在真空电弧熔炼或粉末冶金的制备方法上，并通过切削加工进一步成形。例如：文献3提出一种含氧钛合金或含氧锆合金的制备方法，通过混合金属氧化物和合金原料并压制和焊接成电极块，再通过真空
3、粉末床熔融成形(powder bed fusion，pbf)技术是驱动高能激光束(laserpowder bed fusion，lpbf)或电子束(electronbeampowderbedfusion，ebpbf)热源，按照设定轨迹在铺设的粉末床上扫描微区内的金属粉末，通过逐层铺粉和累积熔化-凝固成形的方式制备金属块体材料的一种增材制造方法。相比于传统等材或减材加工制造方法，bpf增材制造技术的成形过程更容易受控制，且所成形的材料组织细小、均匀性高。通过pbf增材制造方法可以实现对粉末增强钛基材料的制备。然而，由于ti具有高的化学活性，钛基粉末在pbf增材制造成形过程中会与环境气氛中残余的氧元素反应，导致材料中的氧含量增加，不利于材料中氧元素含量的精准调控。同时，pbf增材制造方法对粉末的球形度要求高，混合的增强相粉末会影响成形过程粉末床的流动性，从而降低成形材料的质量。此外，在ti-o合金体系中，氧元素需要以间隙原子的形式固溶进入ti基体中的间隙中，从而在不明显降低材料塑性的同时，提高材料的强度。以激光或电子束为热源的增材制造过程具有快速熔化和快速凝固的工艺特征，通过增材制造方法制备ti-o材料会存在tio2粉末难以完全分解、固溶氧元素分布不均匀的问题，影响固溶氧原子对钛基材料的强韧化效果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对以上pbf增材制造ti-o材料制备技术中存在的不足，提供一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，以cp-ti球形粉末和tio2纳米粉末为原料，基于ti-o材料中的氧元素含量设计目标，综合考虑cp-ti和tio2原料中的氧元素含量以及材料成形过程中的氧增量，计算cp-ti粉末和tio2纳米粉末的混合比例，以实现对ti-o材料中氧含量的精准调控；通过在真空条件下对按计算比例配置的粉末进行短时球磨混合，在保证cp-ti粉末球形度的前提下，使tio2纳米粉末均匀地黏附在cp-ti粉末表面，从而保证混合粉末的流动性；通过真空去应力和均匀化退火的方法对pbf增材制造的ti-o材料进行后处理，使使tio2充分分解，氧元素均匀地固溶在ti基体，以实现对ti-o材料中氧元素分布的调控。本专利技术对于精准调控增材制造ti-o材料中氧元素的含量和分布、提高ti-o材料的力学性能具有重要的意义。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，以cp-ti球形粉末和tio2纳米粉末为原料，基于氧含量设计目标，综合考虑cp-ti和tio2原料中的氧元素含量以及增材制造过程中的氧增量，计算cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合的精确比例；通过真空短时球磨方法将按计算比例配置的cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合均匀，在不破坏cp-ti球形度的前提下，使tio2纳米粉末均匀地黏附在cp-ti球形粉末的表面；对于以lpbf或ebpbf增材制造制备的ti-o材料，通过在真空条件下的去应力和均匀化退火后处理进一步去除成形ti-o材料的应力，促进tio2粉末的完全分解和均匀固溶，实现对制备ti-o材料中氧元素分布的均匀化调控。
3、在本专利技术一实施例中，cp-ti球形粉末为气雾化法制备的球形粉末，粉末粒径为15～53μm；tio2纳米粉末为片层状的纳米级粉末，其平均尺寸为20nm。
4、在本专利技术一实施例中，计算cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合的精确比例的计算公式如下：
5、
6、其中，w(o)ti-o％为设计的ti-o材料中氧含量目标成分，w(o)cp-ti％为使用的cp-ti粉末中的氧元素含量，w(o)tio2％为使用的tio2粉末中的氧含量，δm(o)是lpbf增材制造过程中材料氧含量的增加值，通过对增材制造纯ti材料中的氧元素增加量进行测量获得。
7、在本专利技术一实施例中，所述真空短时球磨方法将按计算比例配置的cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合均匀，在不破坏cp-ti球形度的前提下，使tio2纳米粉末均匀地黏附在cp-ti球形粉末的表面，具体为：通过真空行星球磨的方法将按照氧含量设计目标配置好比例的cp-ti粉末和tio2粉末在真空条件下进行短时球磨混合均匀，为保证cp-ti球形粉末形态在球磨过程中不被破坏，且tio2粉末与cp-ti粉末能混合均匀，对球磨工艺参数中研磨球与添加粉末的质量之比即球料比、行星球磨机旋转速度和球磨时间进行控制。
8、在本专利技术一实施例中，球料比为1:1～5:1，行星球磨机的转速为50～400rpm，球磨时间为1～5h，球磨过程中罐内的真空度保持在≤0.1pa。
9、在本专利技术一实施例中，球料比为3:1，行星球磨机的转速120rpm，球磨时间为3h。
10、在本专利技术一实施例中，以lpbf增材制造制备的ti-o材料，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，以CP-Ti球形粉末和TiO2纳米粉末为原料，基于氧含量设计目标，综合考虑CP-Ti和TiO2原料中的氧元素含量以及增材制造过程中的氧增量，计算CP-Ti粉末和TiO2纳米粉末混合的精确比例；通过真空短时球磨方法将按计算比例配置的CP-Ti粉末和TiO2纳米粉末混合均匀，在不破坏CP-Ti球形度的前提下，使TiO2纳米粉末均匀地黏附在CP-Ti球形粉末的表面；对于以LPBF或EBPBF增材制造制备的Ti-O材料，通过在真空条件下的去应力和均匀化退火后处理进一步去除成形Ti-O材料的应力，促进TiO2粉末的完全分解和均匀固溶，实现对制备Ti-O材料中氧元素分布的均匀化调控。
2.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，CP-Ti球形粉末为气雾化法制备的球形粉末，粉末粒径为15～53μm；TiO2纳米粉末为片层状的纳米级粉末，其平均尺寸为20nm。
3.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，计算CP
4.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，所述真空短时球磨方法将按计算比例配置的CP-Ti粉末和TiO2纳米粉末混合均匀，在不破坏CP-Ti球形度的前提下，使TiO2纳米粉末均匀地黏附在CP-Ti球形粉末的表面，具体为：通过真空行星球磨的方法将按照氧含量设计目标配置好比例的CP-Ti粉末和TiO2粉末在真空条件下进行短时球磨混合均匀，为保证CP-Ti球形粉末形态在球磨过程中不被破坏，且TiO2粉末与CP-Ti粉末能混合均匀，对球磨工艺参数中研磨球与添加粉末的质量之比即球料比、行星球磨机旋转速度和球磨时间进行控制。
5.根据权利要求4所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，球料比为1:1～5:1，行星球磨机的转速为50～400rpm，球磨时间为1～5h，球磨过程中罐内的真空度保持在≤0.1Pa。
6.根据权利要求5所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，球料比为3:1，行星球磨机的转速120rpm，球磨时间为3h。
7.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，以LPBF增材制造制备的Ti-O材料，即在真空或高纯氩环境气氛保护的条件下，通过LPBF增材制造方法熔融CP-Ti/TiO2混合粉末并获得Ti-O材料成形件。
8.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，所述通过在真空条件下的去应力和均匀化退火后处理进一步去除成形Ti-O材料的应力，具体流程为：
9.根据权利要求8所述的一种粉末床熔融增材制造Ti-O材料中氧元素的调控方法，其特征在于，去应力退火温度为400℃，保温时间为60min；均匀化退火温度为600℃，保温时间为120min。
...【技术特征摘要】
1.一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，其特征在于，以cp-ti球形粉末和tio2纳米粉末为原料，基于氧含量设计目标，综合考虑cp-ti和tio2原料中的氧元素含量以及增材制造过程中的氧增量，计算cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合的精确比例；通过真空短时球磨方法将按计算比例配置的cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合均匀，在不破坏cp-ti球形度的前提下，使tio2纳米粉末均匀地黏附在cp-ti球形粉末的表面；对于以lpbf或ebpbf增材制造制备的ti-o材料，通过在真空条件下的去应力和均匀化退火后处理进一步去除成形ti-o材料的应力，促进tio2粉末的完全分解和均匀固溶，实现对制备ti-o材料中氧元素分布的均匀化调控。
2.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，其特征在于，cp-ti球形粉末为气雾化法制备的球形粉末，粉末粒径为15～53μm；tio2纳米粉末为片层状的纳米级粉末，其平均尺寸为20nm。
3.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，其特征在于，计算cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合的精确比例的计算公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种粉末床熔融增材制造ti-o材料中氧元素的调控方法，其特征在于，所述真空短时球磨方法将按计算比例配置的cp-ti粉末和tio2纳米粉末混合均匀，在不破坏cp-ti球形度的前提下，使tio2纳米粉末均匀地黏附在cp-ti球形粉末的表面，具体为：通过真空行...
【专利技术属性】
技术研发人员：向红亮，李杰，郑开魁，黄晔，吴潮潮，陈孝宇，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：
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