一種Ce、Nd增強鈦合金材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鈦合金材料領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種Ce、Nd增強鈦合金材料。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、無磁等諸多突出優(yōu)點，在航空、航天、航海、汽車、化工、生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，鈦合金與其它常用金屬相比，也具有價格高、難加工等不足，特別形狀復雜構(gòu)件，采用去材機械加工方式不僅加工困難，而且原料浪費嚴重。采用鑄造方法制備不僅成品率低而且鑄造缺陷多且性能不高。采用鍛造方法制備，只能制備形狀簡單以及變形量不大的構(gòu)件。
[0003]3D打印技術(shù)是一種累積制造技術(shù)，即通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維物體。現(xiàn)階段三維打印機被用來制造產(chǎn)品，3D打印機的原理是把數(shù)據(jù)和原料放進3D打印機中，機器會按照程序把產(chǎn)品一層層造出來，如此循環(huán)直至工件完成，再經(jīng)過后處理得到成形制件。與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造。
[0004]采用3D打印成型制得的材料經(jīng)常由于選擇的材質(zhì)不同、成型時選擇的粘結(jié)劑等不恰當以及工藝參數(shù)控制不好，會導致制得的坯體表面模糊、翹曲變形、尺寸變形、階梯狀表面、微細結(jié)構(gòu)缺陷、破碎、錯層等缺陷，這對于3D打印技術(shù)用于制造醫(yī)用器件是致命的危害。雖然通過后續(xù)熱處理可以一定程度上改善其性能，但由于熱處理過程中容易形成粗大組織，從而降低力學性能。另外，由于激光3D打印鈦合金產(chǎn)品的表面粗糙度較差，而很多的結(jié)構(gòu)件表面粗糙度要求是很嚴格的，因此，產(chǎn)品粗糙度的問題也是目前有待進一步解決的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種Ce、Nd增強鈦合金材料，該材料是一種高強度低粗糙度的3D打印鈦合金材料。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種Ce、Nd摻雜鈦合金材料，所述鈦合金材料的制備方法包括以下步驟:粉體制備、激光3D打印、真空退火和電化學拋光步驟;其中，所述粉體制備步驟為:先將鈦合金粉末原料進行球磨至粒度為200目以下，然后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1180-1250°C，保溫時間為l_2.5h，得到鈦合金燒結(jié)塊，將所述燒結(jié)塊體再次進行球磨，在200-250r/min轉(zhuǎn)速下，球磨8-10小時，最后篩選出粒度為15-25μπι的合金粉體，以其作為激光3D打印原料。
[0006]所述粉體制備步驟的鈦合金粉末原料包含以下元素組成:Al:2.50-3.80%，Zn:0.05-0.15%,Zr:0.85-0.95%,Hf:0.20-0.40%,V:2.20-2.50%,Ge:0.15-0.45%,Nd:0.50-0.80%，Nb: 0.40-0.60%,Ce:1.20-1.50%，余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。
[0007]所述激光3D打印步驟中，通過3D打印技術(shù)制備成坯件，3D打印的掃描方式采用正交掃描，激光加工參數(shù)為:激光功率200-250W，掃描速度為1250-1350mm/s，將激光打印成型的坯料超聲波清洗1?15mins，在120~150°C烘干坯體。
[0008]所述真空退火步驟中，加熱溫度為850-880°(3，保溫時間為1~1.511，真空度為1.0\10—3 ?I O—4Pa0
[0009]所述電化學拋光步驟中，采用電化學拋光進行后處理，得到表面粗糙度為0.6μπι~
0.7μηι的成品。
[0010]所述成品的抗拉強度為800?850MPa，延伸率和斷面收縮率分別為20%和18%。
[0011 ]優(yōu)選地，所述粉體制備的鈦合金粉末原料包含以下元素組成:Al: 2.80%，Zn:0.15%,Zr: 0.85%,Hf: 0.40%, V: 2.50%,Ge: 0.35%,Nd: 0.70%,Nb:0.50%,Ce:1.50%，余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:通過鈦合金粉末原料的元素成分選擇，明顯改善鈦合金的抗拉強度、延伸率和斷面收縮率;采用球磨-燒結(jié)-再球磨的方式獲得成分均勻、粒度較好的3D打印原料;將3D打印技術(shù)與真空退火相結(jié)合，改善打印后的鈦合金性能;并利用電化學拋光解決了 3D打印成品粗糙度較高的問題。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合實施例和對比例對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0014]實施例1:
將鈦合金粉末原料進行球磨至粒度為200目以下，然后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1180°C，保溫時間為lh，得到鈦合金燒結(jié)塊，將所述燒結(jié)塊體再次進行球磨，在200r/min轉(zhuǎn)速下，球磨10小時，最后篩選出粒度為15μπι的合金粉體，以其作為激光3D打印原料。其中，采用包含以下元素組成的原料作為上述鈦合金粉末原料:Al: 2.80%，Zn: 0.15%，Zr: 0.85%，Hf: 0.40%，V: 2.50%，Ge: 0.35%，Nd: 0.70%，Nb: 0.50%，Ce:1.50%，余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。通過3D打印技術(shù)制備成坯件，采用正交掃描，激光加工參數(shù)為:激光功率200W，掃描速度為1250mm/s，將激光打印成型的坯料超聲波清洗lOmins，在120°C烘干坯體。真空退火步驟加熱溫度為850°C，保溫時間為lh，真空度為1.0X 10—3Pa。采用電化學拋光進行后處理，得到表面粗糙度為0.6μπι的成品。成品的抗拉強度為850MPa，延伸率和斷面收縮率分別為20%和18%。
[0015]實施例2:
將鈦合金粉末原料進行球磨至粒度為200目以下，然后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時間為2.5h，得到鈦合金燒結(jié)塊，將所述燒結(jié)塊體再次進行球磨，在250r/min轉(zhuǎn)速下，球磨8小時，最后篩選出粒度為25μπι的合金粉體，以其作為激光3D打印原料。其中，采用包含以下元素組成的原料作為上述鈦合金粉末原料:Al: 2.50%，Zn: 0.05%，Zr: 0.95%，Hf: 0.20%，V: 2.20%，Ge: 0.15%，Nd: 0.50%，Nb: 0.40%，Ce:1.20%，余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。通過3D打印技術(shù)制備成坯件，采用正交掃描，激光加工參數(shù)為:激光功率250W，掃描速度為1350mm/s，將激光打印成型的坯料超聲波清洗15mins，在150°C烘干坯體。真空退火步驟加熱溫度為880°C，保溫時間為1.5h，真空度為1.0X 10—4Pa。采用電化學拋光進行后處理，得到表面粗糙度為0.7μπι的成品。成品的抗拉強度為800MPa，延伸率和斷面收縮率分別為20%和18%。
[0016]實施例3:
將鈦合金粉末原料進行球磨至粒度為200目以下，然后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200°C，保溫時間為2h，得到鈦合金燒結(jié)塊，將所述燒結(jié)塊體再次進行球磨，在230r/min轉(zhuǎn)速下，球磨9小時，最后篩選出粒度為20μπι的合金粉體，以其作為激光3D打印原料。其中，采用包含以下元素組成的原料作為上述鈦合金粉末原料:Al: 3.80%，Zn: 0.10%，Zr: 0.90%，Hf: 0.30%，V:2.30%，Ge:0.25%，Nd:0.60%，Nb:0.60%,Ce: 1.30%,余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。通過3D打印技術(shù)制備成坯件，采用正交掃描，激光加工參數(shù)為:激光功率220W，掃描速度為1300mm/s，將激光打印成型的坯料超聲波清洗12mins，在130°C烘干坯體。真空退火步驟加熱溫度為860°C，保溫時間為lh，真空度為1.0X 10—3Pa。采用電化學拋光進行后處理，得到表面粗糙度為0.6μπι的成品。成品的抗拉強度為830MPa，延伸率和斷面收縮率分別為20%和18%。
[0017]對比例1:
將不摻雜稀土元素Ce和Nd，其他元素含量與實施例1相同的鈦合金粉末原料，采用同樣的粉體制備、激光3D打印、真空退火和電化學拋光步驟后，所得到的鈦合金產(chǎn)品的抗拉強度最高僅為600MPa。
[0018]對比例2:
將元素成分和含量與實施例1相同的銅合金，采用同樣粉體制備、激光3D打印和電化學拋光步驟，但改變真空退火過程的工藝參數(shù)，當加熱溫度過高或過低時，其所得到的鈦合金產(chǎn)品的抗拉強度最高只有500MPa，延伸率為15%。
[0019]由實施例1-3和對比例I和2可以看出，通過利用根據(jù)本發(fā)明實施例的一種Ce、Nd增強鈦合金材料，通過鈦合金粉末原料的元素成分選擇，明顯改善鈦合金的抗拉強度、延伸率和斷面收縮率;采用球磨-燒結(jié)-再球磨的方式獲得成分均勻、粒度較好的3D打印原料;將3D打印技術(shù)與真空退火相結(jié)合，改善打印后的鈦合金性能;并利用電化學拋光解決了 3D打印成品粗糙度較高的問題。
[0020]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1.一種Ce、Nd增強鈦合金材料，其特征在于:所述鈦合金材料采用的制備工藝包括以下步驟:粉體制備、激光3D打印、真空退火和電化學拋光步驟;其中，所述粉體制備步驟為:先將鈦合金粉末原料進行球磨至粒度為200目以下，然后進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1180-1250°C，保溫時間為1-2.5h，得到鈦合金燒結(jié)塊;將所述燒結(jié)塊體再次進行球磨，在200-250r/min轉(zhuǎn)速下，球磨8-10小時，最后篩選出粒度為15-25μπι的合金粉體，以其作為激光3D打印原料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金材料，其特征在于:所述粉體制備步驟的鈦合金粉末原料包含以下元素組成:A1:2.50-3.80%，Ζη:0.05-0.15%，Zr:0.85-0.95%，Hf:0.20-0.40%，V:2.20-2.50%，Ge: 0.15-0.45%，Nd: 0.50-0.80%，Nb: 0.40-0.60%，Ce:1.20-1.50%，余量為Ti，上述百分比為質(zhì)量百分比。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金材料，其特征在于:所述激光3D打印步驟中，通過3D打印技術(shù)制備成坯件，3D打印的掃描方式采用正交掃描，激光加工參數(shù)為:激光功率200-250W，掃描速度為1250-1350mm/s，將激光打印成型的坯料超聲波清洗10?15mins，在120?150°C烘干坯體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金材料，其特征在于:所述真空退火步驟中，所述加熱溫度為850-880°C，保溫時間為I?1.5h，真空度為1.0 X 10—3?10—4Pa。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金材料，其特征在于:所述電化學拋光步驟中，采用電化學拋光進行后處理，得到表面粗糙度為0.6μπι?0.1m的成品。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的鈦合金材料，其特征在于:所述成品的抗拉強度為800?.850 MPa，延伸率和斷面收縮率分別為20%和18%。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的鈦合金材料，其特征在于:所述粉體制備的鈦合金粉末原料包含以下元素組成:Al:2.80%，Zn:0.15%，Zr:0.85%，Hf:0.40%，V:2.50%，Ge:0.35%，Nd:.0.70%，Nb: 0.50%，Ce:1.50%，余量為Ti。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種Ce、Nd增強鈦合金材料，該材料的制備方法包括粉體制備、激光3D打印、真空退火和電化學拋光步驟。通過鈦合金粉末原料的元素成分選擇，明顯改善鈦合金的抗拉強度、延伸率和斷面收縮率；采用球磨-燒結(jié)-再球磨的方式獲得成分均勻、粒度較好的3D打印原料；將3D打印技術(shù)與真空退火相結(jié)合，改善打印后的鈦合金性能；并利用電化學拋光解決了3D打印成品粗糙度較高的問題。
【IPC分類】B22F3/105, B22F1/00, B33Y10/00, B33Y70/00, C22C14/00, B22F3/24
【公開號】CN105506370
【申請?zhí)枴緾N201510936053
【發(fā)明人】毛培
【申請人】毛培
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月15日