[发明专利]一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法

说明书

本发明涉及一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，其包括S1、钛基复合材料球形粉末的制造；S2、粉末的筛选；S3、构建数字模型；S4、电子束增材制造；S5、后处理。该方法是直接使用钛基复合材料球形预合金粉末，在高真空、原位退火条件下进行纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造，实现了纳米增强相的原位自生和密集三维网状均匀分布。本发明制造的纳米颗粒增强钛基复合材料，致密度高达99.8％，氧含量低于0.12wt％，增强相的体积分数可达5.0％以上，且力学性能接近常规锻件的水平。因此，本发明提出的方法特别适合高性能纳米颗粒增强钛基复合材料复杂结构零部件的低成本制造。

技术领域

本发明涉及一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，属于金属基复合材料的增材制造技术领域。

背景技术

颗粒增强钛基复合材料是一种极具应用前景的轻质高温高强结构材料，在航空航天、海洋装备、武器装备轻量化等领域具有重要的战略地位。然而，钛基复合材料难于高温塑性变形，且高温活性较大，造成精密模锻或者精密铸造成型困难。塑性加工过程增强相晶须的断裂和定向排列，会弱化强化效果，并恶化塑性。常规铸锭冶金法和粉末冶金法制造的颗粒增强钛基复合材料，难于实现增强相颗粒的超细/纳米化，不利于钛基复合材料室温塑性的改善和强度的提高。

激光和电子束增材制造(3D打印)是一种基于构件三维离散数字模型的近净成形柔性制造技术，具有工艺流程短、材料利用率高、形状自由度高、无需制造模具等突出优势。增材制造已经成为难加工/成形钛合金、钛基复合材料、高温合金和金属间化合物等复杂零部件制造的关键技术。增材制造具备粉末逐层凝固堆积和快速凝固的特点，可以实现金属基复合材料中增强相的原位自生、均匀分布和颗粒尺寸的纳米化。可以说，增材制造为制备纳米增强钛基复合材料并成形复杂几何形状的零部件，同时实现力学性能上的新突破，开辟了新路径。

当前主流的激光选区熔化增材制造钛基复合材料，是将合金基体球形粉末与增强体原材料进行机械球磨或者化学法混合，获得增材制造的粉末原材料。这种混合粉末原材料，存在着流动性较差、基体和增强体材料的能量吸收系数差异大、增强体含量不能精确控制、且增强体材料分布不均匀等缺点。这些缺点，导致在激光增材制造过程增强相颗粒熔化不充分、颗粒团簇、氧和杂质含量高、容易诱发孔洞和开裂等突出问题。因此，基于混合粉末原材料的激光增材制造钛基复合材料，成形尺寸都很小，很难制造出复杂几何形状的零部件；并且由于孔洞和裂纹普遍存在，激光增材制造的钛基复合材料，室温拉伸塑性和抗拉强度普遍较差。

直接使用球形预合金粉末，进行钛基复合材料的激光选区熔化增材制造，可以避开混合粉末原材料造成的缺点，但是仍然存在着增强相含量较低、成形尺寸较小，很难实现复杂几何形状样品的制造。这根本上是由于钛基复合材料高温强度高，激光增材制造过程微小熔池中超高的温度梯度和超快的冷却速度，很容易诱发较高的残余应力，导致样品的开裂和翘曲变形。因此，亟需开发出一种面向纳米颗粒增强钛基复合材料复杂零部件的增材制造技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的激光增材制造钛基复合材料存在的氧和杂质含量偏高、增强相含量难于精确控制、高含量增强相难于实现、增强相颗粒团簇和熔不透、容易诱发开裂和孔洞等问题，本发明提供一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料增材的制造方法，该方法为制造高性能纳米颗粒增强钛基复合材料复杂零部件奠定技术基础。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于电子束选区熔化的纳米颗粒增强钛基复合材料的增材制造方法，其包括如下步骤：

S1、钛基复合材料球形粉末的制造；

S2、粉末的筛选；

S3、构建数字模型；

S4、电子束增材制造；