[发明专利]基于增材制造技术制备超高强度钛合金多孔材料的方法

说明书

本发明涉及多孔材料制备领域，具体为一种基于增材制造技术制备超高强度钛合金多孔材料的方法。该方法通过“选择性激光融化成型技术”制备单胞尺寸和孔型可调的均匀多孔钛合金材料，通过优化增材制造工艺参数以及选择合适的热处理可以获得：有效密度为0.5～2.0g/cm³、强度能达到600MPa、吸收能达到90MJ/m³、弹性模量为0.1～20GPa的均匀多孔钛合金块体材料。本发明方法制备工艺简单，成本低，适用于工业化生产，在航空航天轻量化设计、医疗、吸能减震和过滤等领域具有很好的应用前景。

技术领域：

本发明涉及多孔材料制备领域，具体为一种基于增材制造技术制备超高强度钛合金多孔材料的方法。

背景技术：

多孔材料是一种兼具结构和功能的双重属性工程材料，同时与致密体相比还具有诸多优异的性能，特别是比强度高、轻质、能量吸收好、比表面积大、吸声和渗透性强等，被广泛的应用于航空航天轻量化设计、医疗、吸能减震和过滤等领域。

在医疗领域，多孔钛因具有比其致密块体材料更低的弹性模量，可达到与人体骨模量相匹配的程度，可有效避免“应力屏蔽”效应；多孔钛内部存在的大量孔隙更有利于周围细胞的长入和新骨的生长、治疗药物的输送、营养交换等，从而促进植入物与人体自然骨组织的重建以及生物整合和均匀化过程，延长植入体在人体内的寿命[Long M,Rack HJ,Biomaterials 1998,19:1621；Wen CE,Mabuchi M,Yamada Y,Shimojima K,Chino Y,Asahina T,Scripta Materialia 2001,45:1147；Guden M,Celik E,Hizal A,Altindis M,Cetiner S,Journal of Biomedical Materials Research Part B:AppliedBiomaterials 2008.]。在航空航天领域，多孔钛具有极佳的防震和能量吸收特性，这对航天器防御空间碎片以及着陆时能量吸收具有重要意义。与多孔铝等其它多孔金属材料相比，多孔钛强度、能量吸收率更高[Murray NGD,Dunand DC,Composites Science andTechnology 2003,63:2311]、工作温度范围更广、抗腐蚀能力更强，是一种及其重要的功能材料。

现有的多孔结构具有层状效应，只有在主梁的承重方向具有较高的模量，而言其他方向模量迅速降低，因此感觉各项同性的要求，我们在考虑满足孔隙内部毛细血管攀附、生长和能量运输的情况下，使得结构本身的模量足够高，之后通过改变多孔结构的孔隙率来得到满足与人体骨骼相匹配的弹性模量，使得该拓扑优化结构可以字各个方向上面实现相同的模量，从而有利于在使用条件下进行长期的服役。

目前，用于制备多孔金属材料的方法主要包括液态金属发泡法、粉末冶金法、熔体发泡法、金属空心球法、金属粉末纤维烧结法、金属沉积法[刘培生，多孔材料引论，清华大学出版社：北京，2004]。对于钛及钛合金来说，其熔点很高，在温度较高时活性大，使用发泡技术制备多孔材料需要特殊的发泡模具，发泡剂、发泡温度及发泡条件很难控制；金属空心球法、金属粉末纤维烧结法、金属沉积法等其制备成本高，工艺复杂，很难适用于大规模工业化生产，而且拓扑优化结构可能使得结构本身具体负责的形状以及变化的表面，常规的加工手段无法进行加工。

最近，一种新型钛合金多孔材料的制备技术-“选择性激光熔融金属成型技术(简称SLM技术)”被开发出来。这种技术以激光作为加工热源，通过软件将CAD模型按照一定的厚度进行分层切片处理，从而使零件的三维形状数据离散成一系列二维数据的叠加，再按照每一层的形状信息通过数控成型系统控制激光光源将成形材料(如粉体、条带、板材等)逐层熔融堆积，最终得到所设计的任意复杂形状、结构且具有一定功能的零件。该技术不受钛合金高熔点的限制，能够精确控制多孔材料的外形和内部孔结构(包括孔隙率，孔形状、大小和排列)，具有很高的组织和性能稳定性，此外该方法还具有能量利用率高、加工材料广泛、无反射、加工速度快、真空环境无污染及运行成本低等优点，成为制备梯度钛合金多孔材料的极佳选择，在国际上受到了越来越广泛的关注。

发明内容：