基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，基体为钛合金粉末，钛合金粉末为α+β双相钛合金。制备包括，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段。与现有技术相比，本发明专利技术可有效解决打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。

【技术实现步骤摘要】
基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，具体涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法。
技术介绍
钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、导热率低等优点，已成为航空航天领域的重要结构材料。在保证强度相同的前提下，使用钛合金代替镍基高温合金和高强度钢，可以使部件减轻25％～30％。为进一步提升钛合金的强度及耐摩擦磨损性能，通常在钛合金中添加纳米陶瓷颗粒作为增强相形成钛基复合材料，以满足更高的服役性能要求及更加复杂的工况环境要求。但钛合金材料加工难度大，整体成材率低，因此制造环节周期长、成本高，若能大幅度降低制造成本，并显著提升服役性能，则钛合金具有极佳的规模化应用前景。激光增材制造技术是上世纪80年代初由美国主导推进，并在90年代得到迅速发展的一项快速先进整体成型技术。其中，选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术，具体为：将结构设计通过构建计算机三维实体模型及控制激光束将铺放在粉末床中的金属粉体逐层熔化堆积直接进行快速成型制造，这种技术可实现复杂结构件的一次性整体成型制造，可大幅缩短加工周期，并能显著降低加工成本。与此同时，使用选区激光熔化技术成型的零件由于凝固速度快、激光功率密度低，因此可获得细小均匀的显微组织，从而保障成型件优异的综合机械性能。现阶段针对纳米颗粒增强钛基复合材料的激光增材制造主要面临的问题有：(1)纳米颗粒与钛合金粉末的密度及质量差距大，使用普通工艺混合时纳米颗粒容易发生团聚，难以在钛合金粉末中均匀分散；(2)由于纳米颗粒多为陶瓷增强相，与钛合金的润湿性较差，同时两种材料热膨胀系数差异较大，导致在激光增材制造过程中，包裹纳米颗粒的液相容易在凝固时出现孔洞甚至发生开裂；(3)若要较大幅度的提升综合力学性能，纳米颗粒的种类以及与钛合金粉末的混合比例仍有待优化。由此可见，研发纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法、优化添加纳米颗粒的种类、纳米颗粒与钛合金粉末混合的质量配比，以及调控SLM制备纳米颗粒增强钛基复合材料的打印工艺参数是开发基于SLM成型的高性能纳米颗粒增强钛基复合材料亟待解决的核心技术，对于提升钛基复合材料综合性能及扩展钛基复合材料的工业化应用有重要意义。专利CN110423910A涉及高温钛合金为基体的钛基复合材料构件的激光增材制造方法，步骤包括：(1)制备选区激光熔化用粉料：将高温钛合金粉末与增强体前体粉末混合均匀，或者将以高温钛合金为基体，分布增强体的高温钛基复合材料制粉；(2)选区激光熔化增材制造钛基复合材料构件：根据钛基复合材料构件STL格式的三维模型，选区激光熔化逐层铺设的选区激光熔化用粉料，直至钛基复合材料构件制造成三维实体。专利CN110423910A中是加入稀土氧化物产生强化，而本专利技术加入的是稀土粉末进行强化，专利CN110423910A中的钛合金主要由α相组成，而本专利技术的钛合金粉末为α+β双相钛合金，专利CN110423910A的强化原理和强化效果和本专利技术均不同。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，可有效解决激光增材制造成型钛基复合材料的打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使所获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，所述纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，所述增强相包含第一增强相，所述第一增强相为纳米陶瓷颗粒，所述基体为钛合金粉末，所述钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)，α相与β相的形态、尺寸、分布位置等诸多因素对TC4的性能都有明显影响，α相与β相的相比例通过SLM工艺调整。所述钛基复合材料中，所述纳米陶瓷颗粒的质量分数为0.1～5.0wt％，优选为0.12～2wt％。所述纳米陶瓷颗粒中含有碳化钛、碳化硼、碳化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼或硼化钛中的一种或多种混合。所述纳米陶瓷颗粒的平均粒径为15～40nm，单种纳米陶瓷颗粒的纯度在99.99％以上。所述钛合金粉末的粒径为15～53μm。所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末。所述增强相还包含第二增强相，所述第二增强相为金属氧化物颗粒。第二增强相可用于第一增强相的分散，促使纳米陶瓷颗粒能在TC4粉末中充分均匀混合从而实现成分均匀。所述金属氧化物颗粒选自含铝或钛的金属氧化物中的一种或多种。所述钛基复合材料中，所述金属氧化物颗粒的质量分数为0.01～5wt％。所述金属氧化物颗粒的平均粒径为10nm～500μm。所述增强相还包含第三增强相，所述第三增强相为稀土粉末，稀土元素的作用是消除复合粉末在打印过程中微织构的形成。所述稀土粉末的元素种类选自La、Nd、Sm或Y中的一种或多种复合。所述钛基复合材料中，所述稀土粉末的质量分数不大于2.0wt％，优选为不大于1.85wt％。所述稀土粉末的平均粒径为5～8μm。一种如上述所述的纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，所述制备方法包括两个阶段，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段，(I)高能球磨制备钛基复合粉末阶段：(1)取纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末混合后置于球磨罐中，对球磨罐进行反复抽真空及氩气填充，待球磨罐中的空气排出后向球磨罐中通入氩气，采用间歇式球磨方式进行高能球磨，得到纳米陶瓷颗粒和钛合金粉末均匀分布的钛基复合粉末；(II)SLM成型制备纳米颗粒增强钛基复合材料阶段：(a)在计算机中应用软件构建三维实体模型，并通过激光束扫描路径规划对三维实体模型进行分层分析；(b)在SLM打印设备的成型仓内放置钛合金基板，将得到的钛基复合粉末装入粉料缸内，密封成型仓，并开启循环除气净化系统，使成型仓内为负压状态；(c)新建工程任务，并设定SLM成型工艺参数，之后进行成型，最后得到纳米颗粒增强钛基复合材料。步骤(1)中，采用行星式球磨机进行高能球磨，球磨罐采用不锈钢罐体或陶瓷罐体，采用陶瓷球或玛瑙球作为球磨介质；球磨过程中，球磨罐中的气压控制在0.3～0.5MPa的正压状态，球磨的球料比为(5:1)～(1:2)，优选为3:2，球磨转速为100～150r/min，优选为120～150r/min，球磨过程总时间为3～8h，优选为4～6h，采用间歇式球磨方式，每球磨5～10min，冷却5～10min。步骤(a)中，分层分析时每层设定25～50μm。步骤(b)中，开启循环除气净化系统对成型仓抽真空后充入氩气，使成型仓内的压力值为0.7～0.9atm，优选为0.8～0.9atm。步骤(c)中，采用EOSM290金属3D打本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，所述增强相包含第一增强相，所述第一增强相为纳米陶瓷颗粒，所述基体为钛合金粉末，所述钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，所述增强相包含第一增强相，所述第一增强相为纳米陶瓷颗粒，所述基体为钛合金粉末，所述钛合金粉末为α+β双相钛合金，α相与β相的相比例范围为(30:70)～(45:55)。


2.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述钛基复合材料中，所述纳米陶瓷颗粒的质量分数为0.1～5.0wt％；
所述纳米陶瓷颗粒中含有碳化钛、碳化硼、碳化硅、氮化钛、氮化硅、氮化硼或硼化钛中的一种或多种混合；
所述纳米陶瓷颗粒的平均粒径为15～40nm；
所述钛合金粉末的粒径为15～53μm；
所述钛合金粉末为TC4钛合金粉末。


3.根据权利要求1所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述增强相还包含第二增强相，所述第二增强相为金属氧化物颗粒。


4.根据权利要求3所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述金属氧化物颗粒选自含铝或钛的金属氧化物中的一种或多种；
所述钛基复合材料中，所述金属氧化物颗粒的质量分数为0.01～5wt％；
所述金属氧化物颗粒的平均粒径为10nm～500μm。


5.根据权利要求1或3所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述增强相还包含第三增强相，所述第三增强相为稀土粉末。


6.根据权利要求5所述的一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料，其特征在于，所述稀土粉末的元素种类选自La、Nd、Sm或Y中的一种或多种复合；
所述钛基复合材料中，所述稀土粉末的质量分数不大于2.0wt％；
所述稀土粉末的平均粒径为5～8μm。


7.一种如权利要求1所述的纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括两个阶段，第一阶段为高能球磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，吴文恒，张亮，朱冬，卢林，单小龙，尤伟任，顾孙望，顾鑫，
申请(专利权)人：上海材料研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31