一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，其包括S1、钛基复合材料球形粉末的制造；S2、粉末的筛选；S3、构建数字模型；S4、电子束增材制造；S5、后处理。该方法是直接使用钛基复合材料球形预合金粉末，在高真空、原位退火条件下进行纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造，实现了纳米增强相的原位自生和密集三维网状均匀分布。本发明专利技术制造的纳米颗粒增强钛基复合材料，致密度高达99.8％，氧含量低于0.12wt％，增强相的体积分数可达5.0％以上，且力学性能接近常规锻件的水平。因此，本发明专利技术提出的方法特别适合高性能纳米颗粒增强钛基复合材料复杂结构零部件的低成本制造。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法
本专利技术涉及一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，属于金属基复合材料的增材制造

技术介绍
颗粒增强钛基复合材料是一种极具应用前景的轻质高温高强结构材料，在航空航天、海洋装备、武器装备轻量化等领域具有重要的战略地位。然而，钛基复合材料难于高温塑性变形，且高温活性较大，造成精密模锻或者精密铸造成型困难。塑性加工过程增强相晶须的断裂和定向排列，会弱化强化效果，并恶化塑性。常规铸锭冶金法和粉末冶金法制造的颗粒增强钛基复合材料，难于实现增强相颗粒的超细/纳米化，不利于钛基复合材料室温塑性的改善和强度的提高。激光和电子束增材制造(3D打印)是一种基于构件三维离散数字模型的近净成形柔性制造技术，具有工艺流程短、材料利用率高、形状自由度高、无需制造模具等突出优势。增材制造已经成为难加工/成形钛合金、钛基复合材料、高温合金和金属间化合物等复杂零部件制造的关键技术。增材制造具备粉末逐层凝固堆积和快速凝固的特点，可以实现金属基复合材料中增强相的原位自生、均匀分布和颗粒尺寸的纳米化。可以说，增材制造为制备纳米增强钛基复合材料并成形复杂几何形状的零部件，同时实现力学性能上的新突破，开辟了新路径。当前主流的激光选区熔化增材制造钛基复合材料，是将合金基体球形粉末与增强体原材料进行机械球磨或者化学法混合，获得增材制造的粉末原材料。这种混合粉末原材料，存在着流动性较差、基体和增强体材料的能量吸收系数差异大、增强体含量不能精确控制、且增强体材料分布不均匀等缺点。这些缺点，导致在激光增材制造过程增强相颗粒熔化不充分、颗粒团簇、氧和杂质含量高、容易诱发孔洞和开裂等突出问题。因此，基于混合粉末原材料的激光增材制造钛基复合材料，成形尺寸都很小，很难制造出复杂几何形状的零部件；并且由于孔洞和裂纹普遍存在，激光增材制造的钛基复合材料，室温拉伸塑性和抗拉强度普遍较差。直接使用球形预合金粉末，进行钛基复合材料的激光选区熔化增材制造，可以避开混合粉末原材料造成的缺点，但是仍然存在着增强相含量较低、成形尺寸较小，很难实现复杂几何形状样品的制造。这根本上是由于钛基复合材料高温强度高，激光增材制造过程微小熔池中超高的温度梯度和超快的冷却速度，很容易诱发较高的残余应力，导致样品的开裂和翘曲变形。因此，亟需开发出一种面向纳米颗粒增强钛基复合材料复杂零部件的增材制造技术。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的激光增材制造钛基复合材料存在的氧和杂质含量偏高、增强相含量难于精确控制、高含量增强相难于实现、增强相颗粒团簇和熔不透、容易诱发开裂和孔洞等问题，本专利技术提供一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料增材的制造方法，该方法为制造高性能纳米颗粒增强钛基复合材料复杂零部件奠定技术基础。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，其包括如下步骤：S1、钛基复合材料球形粉末的制造；S2、粉末的筛选；S3、构建数字模型；S4、电子束增材制造；S5、后处理。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S1中，所述球形粉末的制造采用等离子旋转电极法或无坩埚电极气雾化法制造钛基复合材料的球形预合金粉末。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S1中，所述钛基复合材料球形粉末的原材料包括合金基体和增强相，所述合金基体为纯钛、TC4、TA15、Ti6242或Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系列高温钛合金中的任一种，增强相为TiB、TiC、TiN、Ti5Si3或稀土氧化物中的一种或一种以上；所述增强相的体积分数在0.5％～8.0％之间进行选择。进一步地，所述稀土氧化物为La2O3或Y2O3。优选稀土氧化物作为一种增强相，既可以降低合金基体的氧含量，还起到颗粒强化的效果。增强相是在每个球形粉末颗粒内部原位自生并均匀分布，制粉用电极棒使用真空熔铸、高温锻造和机械加工的方法制造。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S2中，所述筛选的粒度为40～140μm的球形粉末。经大量实验证实，本专利技术的粉末粒度范围优选40～140μm，所制造合金样品的氧含量普遍较低，且样品的致密度高，成形质量最好。如果偏离40～140μm的粉末粒度范围，会降低制造效率，产生熔不透或层间孔洞缺陷。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S3中，所述构建数字模型为利用计算机绘图软件，构建出目标形状的钛基复合材料样品的三维数字化模型，之后将三维数字模型进行切片离散化处理，导出为直接用于增材制造的数字模型文件。进一步，优选地，计算机绘图软件为Proe、UG、Solidworks或MaterialiseMagics等，构建出目标形状的钛基复合材料样品的三维数字化模型，并合理设计和添加支撑结构。然后，借助切片软件(如Magics)将构建的三维数字模型进行离散化处理，最后导出为可直接用于电子束选区熔化增材制造的三维数字模型文件。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S4中，所述电子束增材制造采用的电子束选区熔化工艺参数为：熔化电流6.0～25mA、熔化扫描速度4.0～20m/s、预热电流20～50mA、预热扫描速度15～50m/s、层厚35～90μm、道次间距60～120μm、往复式或者棋盘式扫描策略、基板预热温度400～1000℃。这些优选的电子束选区熔化工艺参数，是保证成形过程正常运行，提高样品致密度，减少开裂，保证样品尺寸精度的关键。熔化电流偏小或熔化扫描速度太快，就会造成熔不透和层间孔洞缺陷；而熔化电流太大或熔化扫描速度太慢，容易形成匙孔孔洞缺陷。电子束快速预热粉层，充分保证了铺粉层的稳定和牢固，避免电子束熔化过程的吹粉和粉层的溃散。需要注意的是，在电子束选区熔化之前，装入球形粉末到粉仓，将成形室抽真空至≤0.005Pa，再用电子束预热基板至400～1000℃。优选基板预热至400～1000℃，是为了显著降低成形过程的热应力，防止样品的开裂和变形。不预先预热基板，就会造成电子束增材制造钛基复合材料样品的开裂和变形。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S4中，在电子束增材制造的过程中，保持成形室的真空度≤0.01Pa，或者成形室保持0.10～1.0Pa的流动氦气。成形室优选采用≤1.0Pa的流动氦气，能有效抑制合金液体的气化和粉床的吹粉现象。在电子束选区熔化过程，铺粉厚度等于步骤③中数字模型的切片厚度，每铺一层粉末，先用大电流电子束快速预热粉层，再用小电流电子束进行轮廓扫描和选区熔化，循环进行，直到成形结束。如上所述的制造方法，优选地，在步骤S5中，所述后处理为步骤S4制造的钛基复合材料样品从粉床中取出，与基板分离，并进行粉末清理、支架切割、表面喷砂和热处理。后处理完成后，即得到电子束增材制造的纳米颗粒增强钛基复合材料样品或零部件。(三)有益效果本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料增材的制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：/nS1、钛基复合材料球形粉末的制造；/nS2、粉末的筛选；/nS3、构建数字模型；/nS4、电子束增材制造；/nS5、后处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料增材的制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1、钛基复合材料球形粉末的制造；
S2、粉末的筛选；
S3、构建数字模型；
S4、电子束增材制造；
S5、后处理。


2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述球形粉末的制造采用等离子旋转电极法或无坩埚电极气雾化法制造钛基复合材料的球形预合金粉末。


3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，所述钛基复合材料球形粉末的原材料包括合金基体和增强相，所述合金基体为纯钛、TC4、TA15、Ti6242或Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系列高温钛合金中的任一种，增强相为TiB、TiC、TiN、Ti5Si3或稀土氧化物中的一种或一种以上；所述增强相的体积分数在0.5％～8.0％之间进行选择。


4.如权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述稀土氧化物为La2O3或Y2O3。


5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在步骤S2中，所述筛选的粒度为40～140μm的球形粉末。


6.如权利要求1所述的制造方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛红志，谭浩，殷宝国，张德良，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21