[发明专利]内生纳米复合陶瓷颗粒的钛合金粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明适用于增材制造材料技术领域，提供了一种内生纳米复合陶瓷颗粒的钛合金粉体及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：将钛基母合金置于真空环境中进行熔炼，得到熔融合金；往熔融合金中加入含有纳米TiC和纳米TiB₂的铝基中间合金进行均匀化处理后，再进行浇注成型，得到铸坯；利用等离子旋转电极雾化法或者气雾化法将铸坯制成粉末，并进行筛分得到纳米TiC和纳米TiB₂增强的钛合金粉体。本发明通过添加纳米TiC和TiB₂，能显著提高钛合金粉体经增材制造零件的等轴晶比例，以减少柱状晶，使增材制造后的组织的均匀性得到大幅度改善，从而可以避免各向异性现象，减轻裂纹形成倾向，提高增材制造金属产品的强度和塑性。

技术领域

本发明属于增材制造材料技术领域，尤其涉及一种内生纳米复合陶瓷颗粒的钛合金粉体及其制备方法和应用。

背景技术

钛合金具有比强度高、抗腐蚀及生物相容性好等特点，钛合金在生物医药、航空航天和汽车工业等各个领域以及其他专业应用中的重要性日益增加。目前钛合金产品的结构较为复杂，品种多，批量小且性能要求高，传统的成产制造技术无法满足这些产品要求。但是增材制造技术能够满足钛合金产品制造技术和性能要求，因而得到广泛应用。增材制造技术的发展基础是高能量热熔覆技术和快速成型技术，与传统的制造技术相比，不用经过各种刀具的切割和多种繁琐工序的加工，大大缩短了加工时间，同时对于结构复杂的零件，其加工过程和制造精度更高。

激光3D打印是目前主流的增材制造技术之一，可以实现复杂零件的快速成型。同时，送粉式激光3D打印技术还能实现磨损零件的快速修复，在航空航天及生物医疗领域具有广阔的应用前景。近些年来对金属增材制造技术的大量研究表明，在生产钛合金金属零件时，其难以避免的缺陷是有粗大柱状晶的形成。柱状晶粒结构的存在导致了力学性能的各向异性，这种各向异性导致了零件可靠性下降，是增材制造推广应用的卡脖子问题。柱状晶的形成取决于驱动形核和生长的因素。在目前的商业化生产中，促进柱状晶等轴转变的一种方法是在3D打印中选择合适的工艺参数，以影响温度梯度、固液界面生长速率和冷却速率，从而促进等轴晶向柱状晶转变。如与连续激光增材制造相比，脉冲激光加工模式更有利于获得等轴晶，但仍然没有完全消除柱状晶；另外一种途径是在3D打印过程中，通过控制合金粉末的成分，可以提高异质形核点，促进柱状晶向等轴晶的转变，但在商业化生产中也没有完全消除柱状晶。

我们发现在钛合金中加入能够作为钛合金凝固时异质形核核心和阻碍枝晶生长的纳米颗粒，在柱状晶向等轴晶转变过程中过程中取得了意想不到的效果，实现了完全等轴晶的获得。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种内生纳米复合陶瓷颗粒的钛合金粉体的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种内生纳米复合陶瓷颗粒的钛合金粉体的制备方法，其包括以下步骤：

将钛基母合金置于真空环境中进行熔炼，得到熔融合金；

往熔融合金中加入含有纳米TiC和纳米TiB₂的铝基中间合金进行均匀化处理后，再进行浇注成型，得到铸坯；

利用等离子旋转电极雾化法或者气雾化法将铸坯制成粉末后，再进行筛分，得到所述钛合金粉体。

作为本发明实施例的一个优选方案，所述步骤中，熔炼的温度为1700～1750℃。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述钛基母合金为Ti-6Al-4V合金。

作为本发明实施例的另一个优选方案，所述铸坯包括Al、V、Ti、TiC和TiB₂，其中，Al的质量分数为5.5％～6.8％，V的质量分数为3.5％～4.5％，Ti的质量分数为88.4％～90.99％，TiC和TiB₂的总质量分数为0.01％～0.3％，且TiC和TiB₂的摩尔比为1:(1～3)。