[发明专利]可控制微观组织以及析出硬化的利用3D打印的金属材料的立体成型方法

说明书

本发明涉及一种利用3D打印的金属材料的立体成型方法，其特征在于，包括如下步骤：(i)设定3D打印的工艺参数；(ii)供给金属粉末；(iii)选择性地照射用于3D打印的成型光源，使所述金属粉末熔融；(iv)对熔融的所述金属粉末进行冷却并固化，从而形成所述金属材料的一个层；(v)重复所述步骤(ii)～(iv)，以进行层积，直至完成所述金属材料的立体成型物，通过在所述步骤(i)设定的工艺参数来控制所述步骤(iv)中的层内部的微观组织，从而调节所述金属材料的机械特性。

技术领域

本发明涉及一种可控制微观组织以及析出硬化的利用3D打印的金属材料的立体成型方法，具体涉及一种在利用3D打印技术制造金属材料产品的过程中，控制作为工艺参数的扫描速度和电流密度来控制金属材料的微观组织，从而形成符合产品要求特性的微观组织，诱导纳米析出物的析出，通过析出硬化，能够提高强度的利用3D打印的金属材料的立体成型方法。

背景技术

微观组织控制技术是指在金属材料内控制晶粒的形状以及方向性的技术。在现有的金属材料产品的制造中，作为控制金属材料的取向性微观组织来提高材料以及产品的强度或增加耐久性从而提高产品的功能性的方法，在金属材料的熔化、铸造后，通过热轧/冷轧塑性加工以及热处理工艺，能够控制晶粒的形状以及方向性。

但是，在整个制造工艺步骤中，由于导入塑性加工以及热处理工序等后处理工序，导致整个制造时间增加，由此引起时间损失，并由于追加工序，提高产品的成本等，发生经济损失。另外，在后处理工序以后，由于导入焊接以及切割等后续加工工序，产品内部易于发生微观组织的变形，由此发生产品性能降低。

另一方面，现有的金属材料产品的制造方法主要采用以高温加热金属材料使其熔融，并将液体状态的金属注入到模具使其凝固的铸造方式。最近，作为制造复杂形状的立体成型物的方法，有3D打印制造方式。利用3D打印制造金属材料产品的代表性的方式有PBF(Powder Bed Fusion：粉末床熔融)方式和DED(Direct Energy Deposition：直接能量沉积)方式。PBF方式是在粉末供给装置中，在具有规定面积的粉末床上涂覆数十μm的金属粉末层，根据设计图，选择性地照射作为成型光源的激光或电子束后，逐层熔融，使金属粉末相互结合并向上累积的方式。DED方式是在保护气体氛围中实时供给金属粉末，使用高功率的激光，供给时即刻熔融，从而熔融并层积金属粉末的方式。PBF方式具有比较精密且有利于实现形状自由度的优点。

3D打印方式具有多个需改善之处，但是可以直接制造利用现有的模具难以制作的中空型等复杂且精密形状的产品，无废料损失，能够大幅省略机械加工等后续工序，因此在包括患者定制型人工关节部件、航天部件等在内的一般工业用部件等多种领域中，技术利用率呈逐渐增加的趋势。

即便如此，对于利用3D打印所形成的金属材料的微观组织的研究现状尚有不足，没有具体公开根据3D打印的工艺参数，金属材料中形成何种微观组织，是否对晶粒的形状以及方向性产生影响。

另一方面，作为生物医疗用途，可插入人体的金属材料有纯钛和分别添加6％和4％的铝(Al)和钒(V)的钛合金(Ti-6A-4V)。但是，已知钒是代表性的毒性元素，铝(Al)是引发阿尔茨海默病的主要原因，因此从数十年前起就提出了对于使用钛合金本身的问题。作为替代材料有未添加其他合金元素的纯钛(Ti)。纯钛具有生物相容性好、耐腐蚀性优秀、对生物体无害、用于人体的金属中最轻的优点，但是抗拉强度仅仅是340～430MPa，不具有适合生物体材料的强度，另外，所述纯钛铸造困难，焊接也不顺利，制造成多种形状时具有较大难度。

加强这种金属材料的强度的方法有，在金属材料产品制造工序之后进行强塑性加工、固溶体强化、晶粒微细化、析出硬化、加工硬化等。其中，析出硬化是从金属母材相内部析出并形成微细且分布均匀的第二相的粒子，通过在析出相周围形成的晶格变形抑制位错的移动，从而提高金属的强度、硬度的方法。