[发明专利]一种制备增材制造专用Ti6Al4V合金粉末工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体地，涉及一种制备增材制造专用Ti6Al4V合金粉末的工艺方法。

背景技术

制造业一直是国民经济的支柱，随着科学技术的不断发展，制造业也在不断的进步和创新。被俗称为“3D打印”的增材制造技术正是在此形势下发展起来的一类新型制造技术，作为减材制造和等材制造两类传统制造技术的重要补充，增材制造技术正在受到越来越广泛的重视。增材制造技术是通过 CAD 数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，是一种自下而上材料累加的制造方法，通过一层层的逐层制造，可以完成几乎任意几何形状几何体的制造。增材制造可以成型传统制造技术无法成型的自由曲面、中空结构和多孔结构等形状复杂的零件，具有成型周期短、制造效率高、节约材料的优点。

而金属增材制造技术由于可以直接成型组织致密、冶金结合的金属零件，成为了增材制造领域最前沿的技术。金属增材制造主要包括激光净成型（LENS）、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBM）等几种成型技术。金属增材制造的成型材料主要是预合金金属粉末，该类成型技术对金属粉末的质量要求较高，只有粉末粒径较细，含氧量较低的球形粉末才能够满足要求。目前应用较多的材料有不锈钢粉末、钛合金粉末、镍基合金粉末和钴铬钼合金粉末。

钛合金密度低，比强度高，耐腐蚀性、机械性能好，韧性和抗蚀性能很好，且生物相容性优异，被广泛用于航空航天、航海、化工、发电、汽车、体育休闲、医疗等领域。但是，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质，抗磨性差，生产工艺复杂。因此增材制造技术很适合应用在钛合金零件的生产制造中。

在众多的钛合金种类中，Ti6Al4V合金粉末是性能较好，应用最广的钛合金粉末。目前已经有很多高校和科研院所使用SLM和LENS技术制造出了高致密度的钛合金零件，例如德国EOS公司应用SLM技术生产的钛合金牙桥牙冠已经应用在了临床口腔医学之中，北京航天航空大学应用LENS技术生产出了大尺寸的钛合金飞机零部件，华南理工大学采用自主研发的SLM成型机制造出了高质量的钛合金膝关节假体。可以发现，随着金属增材制造的不断发展，适用于该制造技术的钛合金粉末的市场需求也将越来越大。

但是目前应用在增材制造领域中的钛合金还存在以下的问题：第一，钛合金粉末中的氧含量无法满足要求，较高的氧含量会对成型过程造成影响，降低钛合金成型件的质量；第二，材料标准化及系列化规范缺乏，增材制造对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高，但目前还没有形成一个行业性的标准；第三，钛合金粉末成本较高，由于钛合金粉末制取困难，国内目前无法制造满足要求的钛合金粉末，主要依靠进口国外材料，使得材料的价格较高，影响了增材制造的推广应用。

因此，本发明提供了一种适用于金属增材制造的Ti6Al4V合金粉末制备工艺，该制备工艺以制取低粒径、低含氧量、高纯度的球形钛合金粉末为目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备增材制造专用Ti6Al4V合金粉末工艺方法，该工艺方法在保证原料纯度的基础上，将真空水冷铜坩埚感应熔炼和多级超声雾化有机的结合起来，在保证熔炼过程中钛合金不被氧化且金属熔体的温度和成分均匀，获得一致的过热度，还能在防止堵嘴现象发生的同时还能防止液滴在冷却过程中发生粘附形成非球形颗粒，可使粉末颗粒更细更均匀，能够达到增材制造对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求的高标准。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种制备增材制造专用Ti6Al4V合金粉末工艺方法，包括以下步骤：

（1）        将高纯Ti粉和Al-V中间合金粉采用混合元素法按合金成分比例进行球磨混合均匀得混合粉，再采用冷等静压法将混合粉压制成棒材块体，所述合金成分比例为：Al：5.5%~6.75%，V：3.5%~4.5%，Fe≤0.3%，C≤0.1%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.2%，余量为Ti，其中Ti的纯度达到99.9%以上；不同元素的进行合金制备时，会增加熔炼的难度，还容易产生成分偏析，申请人采用Al-V中间合金粉作为制备原料，有利于熔炼时的完全熔化，使溶液成分更均匀；另外申请人采用冷等静压的方式将原料混合粉末压制成棒材块体，更有利于提高合金的熔炼速率，和粉末状的材料相比，熔炼速率更快。