[发明专利]一种基于SLM技术的高强Ti-Al-V基合金3D打印制造方法

说明书

本发明属于3D打印金属材料制造技术领域，涉及一种基于SLM技术的高强Ti‑Al‑V基合金3D打印制造方法。该方法包括以下步骤：首先原料采用指定的多元合金粉末，其组成包括0.1~20wt.%工业纯钛粉（TA1~TA3）、0.1~10wt.%纳米粉（SnO₂或Y₂O₃）、以及Ti‑Al‑V基合金粉末；采用球磨的方法将粉体充分混合，使用激光粉末床3D打印设备完成产品打印，最后进行三段式热处理。与目前广泛使用的TC4钛合金产品相比，本发明方法制备的钛合金在保持了高塑韧性的前提下，具有更高的强度具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于3D打印金属材料制造技术领域，特别涉及一种基于SLM技术的高强Ti-Al-V基合金3D打印制造方法。

背景技术

激光3D打印利用高能激光束熔融粉末并沉积成型，是快速成型技术的一种。目前该技术可用于制造从金属到有机材料等多种材料。激光选区熔化（SLM）成型技术是在高能激光作用下，原料粉末完全熔化，经散热凝固后与基体材料焊合，然后逐层累积成型出三维实体。该技术通过设置铺粉层厚度和激光精度，严格控制构件成型密度、尺寸，外形精度可以达到生产要求。

钛合金的比强度是不锈钢的3.5倍，接近高强钢材，密度却比钢低40%。因此，特别适合加工高强高韧的轻质材料，广泛用在航空航天、军用潜艇等领域。航空航天需要尽量减少每个零部件的材料使用量，这就会增加结构、功能和性能等方面的设计复杂性。而3D打印生产的复杂结构部件几乎完全避免了一般机加工异形件的困难，且明显缩短生产周期，节约时间、降低成本具有明显经济效益。研究钛合金材料用于制造各种3D打印轻型化构件，用于替代传统方法制造的高强钢构件具有巨大的战略意义和发展前景。

α+β型两相Ti-Al-V基合金具有优异的综合性能，包括它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性。因此，其在航空和航天工业中获得了广泛的应用，也是目前用量最大的钛合金。利用Ti-Al-V基合金最高400℃的长时间工作温度，可制造发动机的风扇和压气机盘及叶片等重要构件。Ti-Al-V基合金的典型牌号为TC4（Ti-6Al-4V），它是一种中等强度的α+β型两相钛合金，含有6wt.%的α稳定元素Al和4wt.%的β稳定元素V。TC4钛合金的密度一般在4.51g/cm³，TC4使用量已占全部钛合金的75%～85%。

随着航空航天等领域技术的快速发展，目前TC4等Ti-Al-V基合金的力学性能已经不能适用使用需求，需要开发基于3D打印技术、具有更高强韧性的新型Ti-Al-V基合金。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对目前广泛商用的基于3D打印技术制造的TC4等Ti-Al-V基合金强度不能满足高端装备快速发展的使用需求问题，提出以钛合金粉、纯钛粉和纳米粉的混合粉为原始材料，进行特定工艺的3D打印成型和热处理工艺，以制备出具有更高强韧性的Ti-Al-V基合金。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为。

一种基于SLM技术的高强Ti-Al-V基合金3D打印制造方法，包括以下步骤：

步骤一、准备工业纯钛粉、纳米粉以及钛合金粉作为余量作为混合粉体原料，并将粉体原料充分混合均匀，作为3D打印的原料；

步骤二、采用激光粉末床3D打印设备对步骤1的3D打印的原料完成打印，得3D制品；

步骤三、对步骤2的3D制品进行三段式热处理，具体工艺为：

将样品以2~10℃/min速率升温至920~980℃温度，随后以2~6℃/min速率降温，降温幅度50~100℃，之后重新升温至920~980℃，升温速率保持在2~10℃/min，反复次数2~6次作为热处理阶段1；

随后进行热处理阶段2，样品以2~10℃/min速率升温至520~600℃温度，随后以2~6℃/min速率降温，降温幅度50~100℃，之后重新升温至520~600℃，升温速率保持在2~10℃/min，反复次数2~6次；