[发明专利]一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法

说明书

本发明属于3D打印材料设计与制备领域，具体涉及一种径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。所述多孔钛合金零件具有高孔隙率、高强度、轻质量等优点，包括若干个紧密排列的基本单元；所述基本单元包括单胞A、单胞B、单胞C和单胞D；所述单胞A作为所述多孔钛合金零件的最内层，形成所述多孔钛合金零件的最小密度和最大等效孔径；所述单胞B和单胞C依次作为所述多孔钛合金零件的次内层，形成所述多孔钛合金零件的中级孔径，并作为所述多孔钛合金零件的材料密度的多尺度平滑过渡；所述单胞D作为最外层，形成所述多孔钛合金零件的最小孔径和最大密度；由此令所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。

技术领域

本发明属于3D打印材料设计与制备领域，具体涉及一种高孔隙率、高强度、轻质量的径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。

背景技术

钛及其合金具有密度低、强度高、良好的生物相容性和耐腐蚀等突出优点，在航空航天、化工、生物医疗等领域被广泛应用。为达到材料轻质量、低弹性模量的应用目的，在钛合金中引入多孔结构是行之有效的方法。多孔钛融合了钛合金与泡沫金属的特性，能够减轻材料的重量而不削弱其强度，同时还具备优异的韧性和刚度。因此，多孔钛及其合金的优异性能使其在一些特殊领域具有广泛的应用前景，例如抗冲击材料、高温过滤层、消声装置、潜水艇夹层和生物医用材料等。

多孔钛合金的传统制造方法有粉末直接烧结法、空间占位法和粉末沉积法等,这些制造方法存在孔隙率、孔径尺寸和孔结构不能精确控制、内部孔隙连通率差等问题。随着应用领域的拓宽和应用环境要求的提高，高度复杂形状和精密尺度的多孔钛合金需求度逐渐增加。选择性激光熔融3D打印技术将先进的激光技术、计算机辅助设计与制造技术和粉末冶金技术集成于一体，与传统的加工方法相比，它省略了模具的制造过程，在生产形状复杂、个性化的金属零件领域具有较大的优势。

目前市面上的3D打印多孔钛合金材料多为固定孔径尺寸的结构单元罗列而成的简单孔道联通体系，如正八面体、三角锥、六面体等。这种结构单元普遍存在微孔结构单一、结构重复、孔道各向异性率差等缺点。而选择性激光熔炼技术的精度可以达到100μm，能够满足多孔钛内部结构的精确控制，由于结构设计不健全，造成3D打印精确控制内部结构的优势并没有完全发挥。

发明内容

针对现有多孔钛微孔结构单一重复的问题，本发明提出一种高孔隙率、高强度、轻质量的径向分级多孔钛合金零件及其3D打印制备方法。所述多孔钛合金零件包括4种径向分级结构的基本单元，通过梯度渐变的孔隙结构设计调控孔隙率与等效孔径，以达到最佳的力学强度和生物相容性。具有实现钛金属零件减重、多孔材料力学强度提升的潜在意义。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种径向分级多孔钛合金零件，所述多孔钛合金零件包括若干个紧密排列的基本单元；

所述基本单元包括单胞A、单胞B、单胞C和单胞D；

所述单胞A作为所述多孔钛合金零件的最内层，形成所述多孔钛合金零件的最小密度和最大等效孔径；所述单胞B和单胞C依次作为所述多孔钛合金零件的次内层，形成所述多孔钛合金零件的中级孔径，并作为所述多孔钛合金零件的材料密度的多尺度平滑过渡；所述单胞D作为最外层，形成所述多孔钛合金零件的最小孔径和最大密度；由此令所述多孔钛合金零件形成多孔钛孔隙率与等效孔径分级渐变的结构。

进一步地，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D均为由四根长度相同的圆柱体构成的六方金刚石分子结构(四根圆柱体相互连接形成一四面体结构)，由纯钛或钛合金粉末烧结而成。

进一步地，所述单胞A、单胞B、单胞C和单胞D的圆柱体的直径不完全相同。

进一步地，所述单胞A的圆柱体的长度为0.5～1.5mm，直径为0.1～1mm；优选地，长度为0.5～1mm，直径为0.1～0.5mm。