一种平衡3D打印钛合金力学性能的热处理方法

一种平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法
技术领域
1.本发明涉及金属3d打印领域，更具体涉及一种平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法。


背景技术：

2.激光选区熔化(selective laser melting，slm)技术属于3d打印技术的一种，是近年来发展起来的变革性制造技术。成型过程中激光逐层选择性地对金属粉末进行扫描，使得粉末迅速融凝并逐层堆积，最终得到目标三维实体。slm技术具有成型速度快、可成型复杂构件、易单件小批量生产、力学性能优于传统铸造及锻造技术等优点。但由于激光逐层往复扫描的加工特点，熔池的温度梯度较大，易存在较大的残余应力；由于显微组织晶粒细小，导致成型件的塑性较差，因此在力学性能方面通常具有强度较高而塑性较差、延伸率较低的缺点。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供一种平衡3d打印钛合金力学性能的方法，以优化slm技术成型钛合金的延伸率、维氏硬度、显微组织等，改善3d打印钛合金强度高但塑性差的缺点，获得更为平衡的力学性能。
4.本发明所采取的技术方案如下：
5.一种平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，包括以下步骤：
6.步骤一：采用选区激光熔化3d打印技术成型所需ti6al4v eli合金部件，成型工艺参数为：铺粉层厚30～50μm、激光功率200～220w、扫描速度1200～1250mm/s，扫描间距为70～80μm；
7.步骤二：使用真空气氛炉对合金部件进行热处理，以10℃/min的升温速度进行加热，当温度达到720℃～920℃后保温2h以上，然后随炉冷却，得到满足抗拉强度、屈服强度、延伸率要求的ti6al4v eli合金部件。
8.进一步地，所述步骤一中，成型前对打印机舱室进行洗气，使氧含量低于450ppm，并对基板进行预热至180～200℃，保证成型过程中部件不会发生氧化且能与基板结合。
9.进一步地，所述步骤一中，成型过程中风机的循环频率为22hz，吹散产生的烟尘。
10.进一步地，所述步骤二中，在退火前对真空气氛炉进行抽真空至300pa，然后对炉内通入99.999％的高纯氩气20min以上，防止零件发生氧化。
11.进一步地，所述步骤二中，当温度达到820℃后保温2～3h，然后随炉冷却。
12.进一步地，所述抗拉强度、屈服强度、延伸率需满足的要求为：抗拉强度大于860mpa、屈服强度大于795mpa、延伸率大于10％。
13.由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果在于：
14.1.本发明获得的钛合金部件可在满足医用钛合金力学强度的基础上获得更良好的塑性、延伸率和维氏硬度。
15.2.本发明可使3d打印钛合金的亚稳态的针状α'相分解成为稳定的α+β组织，使组织成分更加均匀化。
16.3.本发明可使3d打印钛合金在热处理后获得更加平衡的力学性能，更有利于钛合金在医疗领域的应用。
附图说明
17.图1为本发明获取热处理工艺参数的流程图；
18.图2为拉伸试件示意图；
19.图3为不同热处理退火温度下钛合金抗拉强度、屈服强度、延伸率示意图；
20.图4为不同热处理退火温度下钛合金维氏硬度示意图；
21.图5为不同热处理退火温度下钛合金断口形貌示意图；
22.图6为不同热处理退火温度下钛合金xrd示意图；
23.图7为不同热处理退火温度下钛合金显微组织示意图。
具体实施方式
24.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法具体包括以下步骤：
26.步骤一：采用选区激光熔化(selective laser melting，以下简称slm)3d打印技术成型所需ti6al4v eli合金部件。成型工艺参数为：铺粉层厚30～50μm、激光功率200～220w、扫描速度1200～1250mm/s，扫描间距为70～80μm。成型前对打印机舱室进行洗气，使氧含量低于450ppm，并对基板进行预热至180～200℃，以保证成型过程中零件不会发生氧化且能够与基板之间有良好的结合。成型过程中风机的循环频率为22hz，以吹散产生的烟尘。
27.步骤二：使用真空气氛炉对合金部件进行热处理。在退火前对真空气氛炉进行抽真空至300pa，然后对炉内通入99.999％的高纯氩气20min以上，防止零件发生氧化；之后以10℃/min的升温速度进行加热，当温度达到720℃～920℃后保温2h以上，然后随炉冷却，本实施例中优选温度达到820℃后保温2～3h。最终得到满足医用ti6al4v eli合金的抗拉强度大于860mpa、屈服强度大于795mpa、延伸率大于10％要求的ti6al4v eli合金部件，其中延伸率越高，合金部件的塑性越好。
28.如图1所示，本发明所采用的热处理工艺参数，具体通过以下步骤得到：
29.s1：选用医用ti6al4v eli合金粉末，采用slm 3d打印技术成型钛合金拉伸试件和方块试件。成型工艺参数为：铺粉层厚30μm、激光功率200w、扫描速度1200mm/s，扫描间距为70μm。如图2所示，拉伸试件长90mm，夹持端直径6mm，标距长30mm，直径3mm，夹持端与标距之间有半径4mm的过渡圆弧。方块试件尺寸为10
×
10
×
10mm。需要说明的是，打印得到拉伸试件和方块试件，是因其形状更便于后续进行对应的试验。
30.s2：对拉伸试件和方块试件分别进行不同温度的热处理，记未进行热处理的试件为成型态试件。热处理的操作与步骤二同理，其中退火温度在720℃～920℃之间，以100℃
为梯度(即选取热处理温度分别为720℃、820℃、920℃)，升温速度为10℃/min，达到目标温度后保温2小时，然后随炉冷却。
31.s3：对成型态与每种热处理状态的拉伸试件和方块试件分别进行力学性能测试，力学性能测试包括：拉伸试验和维氏硬度测试。其中，拉伸试验针对拉伸试件进行，最终得到拉伸强度、延伸率；维氏硬度测试针对方块试件进行，最终得到维氏硬度。
32.其中，使用电子万能试验机对成型态与热处理后的拉伸试件分别进行拉伸试验，拉伸速率为1mm/min，拉伸过程中使用标距为25mm的引伸计对应变进行测量，对每种热处理状态的拉伸试件测试3次，最终结果取平均值。如图3所示，测得成型态及720℃～920℃热处理态拉伸试件的抗拉强度在927.4～1125.7mpa范围内，屈服强度在784.7～989.0mpa范围内，延伸率在12.7％～16.0％范围内。
33.维氏硬度测试通过维氏硬度仪对方块试件的维氏硬度hv
10
进行试验，对成型态与每种热处理状态测试10次，最终结果取平均值得到。如图4所示，测得成型态及720℃～920℃热处理态试件的维氏硬度hv
10
在320.7～352.3范围内。
34.同时，对成型态与每种热处理状态的拉伸试件分别进行显微组织测试与观察，显微组织测试与观察包括：拉伸断口形貌观察、xrd测试和金相观察。其中，拉伸断口形貌观察针对拉伸试件进行，xrd测试和金相观察针对方块试件进行。
35.通过扫描电镜对拉伸试件的拉伸断口形貌特征进行观察，观察结果如图5所示。结果表明，成型态拉伸试样的断口既存在台阶状的拉伸断痕又有韧窝，同时具有韧性断裂与脆性断裂的特征，断裂机制属于混合断裂。而经热处理后的拉伸试样的断口均为深而密的韧窝，属于韧性断裂，并且随着热处理温度的升高，韧窝逐渐加深，说明塑性得到了改善。
36.通过x射线衍射仪对方块试件进行xrd测试，测试结果如图6所示。对物相进行分析，结果表明成型态试件中不含有β相，而热处理后出现了β相，并且随着热处理温度的升高，β相的峰逐渐增高，说明试件中β相的含量在逐渐上升。
37.通过光学显微镜对方块试件的金相进行观察，观察结果如图7所示。结果表明成型态钛合金的显微组织主要为针状α'马氏体组织，该相具有高强度、低塑性的特点，因此成型态试件的抗拉强度、屈服强度相对较高而延伸率较低。经热处理后亚稳态的α'相分解成为了稳定的α+β组织，使组织成分均匀化，并且随着热处理温度的升高β相的含量逐渐增加。由于β相更有利于塑性变形，因此随着热处理温度的增高，试件的延伸率逐渐提升而强度逐渐降低。
38.s4：根据拉伸试验与拉伸断口形貌、维氏硬度测试、xrd以及金相观察的结果，当退火温度为920℃时，其延伸率最高，但屈服强度为784.7mpa，不能满足医用ti6al4v eli合金屈服强度795mpa的条件。因此选定热处理的工艺参数为820℃/2h，此时slm成型的钛合金抗拉强度为992.6mpa，屈服强度为865.2mpa，延伸率为14.4％，维氏硬度hv
10
为343.7；xrd测试结果表明该热处理工艺使钛合金的β相有所提升，金相组织观察表明钛合金亚稳态的α'相分解成为了稳定的α+β组织，因此能够在满足医用ti6al4v eli合金抗拉强度860mpa、屈服强度795mpa的条件下，提高钛合金的延伸率、增强其塑性，并且提升钛合金的维氏硬度，使组织成分更加均匀化，获得更加平衡的力学性能，更有利于3d打印钛合金在医疗领域的应用。
39.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限
制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用选区激光熔化3d打印技术成型所需ti6al4v eli合金部件，成型工艺参数为：铺粉层厚30～50μm、激光功率200～220w、扫描速度1200～1250mm/s，扫描间距为70～80μm；步骤二：使用真空气氛炉对合金部件进行热处理，以10℃/min的升温速度进行加热，当温度达到720℃～920℃后保温2h以上，然后随炉冷却，得到满足抗拉强度、屈服强度、延伸率要求的ti6al4v eli合金部件。2.按照权利要求1所述的平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤一中，成型前对打印机舱室进行洗气，使氧含量低于450ppm，并对基板进行预热至180～200℃，保证成型过程中部件不会发生氧化且能与基板结合。3.按照权利要求1所述的平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤一中，成型过程中风机的循环频率为22hz，吹散产生的烟尘。4.按照权利要求1所述的平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤二中，在退火前对真空气氛炉进行抽真空至300pa，然后对炉内通入99.999％的高纯氩气20min以上，防止零件发生氧化。5.按照权利要求1所述的平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤二中，当温度达到820℃后保温2～3h，然后随炉冷却。6.按照权利要求1所述的平衡3d打印钛合金力学性能的热处理方法，其特征在于，所述抗拉强度、屈服强度、延伸率需满足的要求为：抗拉强度大于860mpa、屈服强度大于795mpa、延伸率大于10％。

技术总结
本发明公开了一种平衡3D打印钛合金力学性能的热处理方法，包括以下步骤：步骤一：采用选区激光熔化3D打印技术成型所需Ti6Al4V ELI合金部件，成型工艺参数为：铺粉层厚30～50μm、激光功率200～220W、扫描速度1200～1250mm/s，扫描间距为70～80μm；步骤二：使用真空气氛炉对合金部件进行热处理，以10℃/min的升温速度进行加热，当温度达到720℃～920℃后保温2h以上，然后随炉冷却，得到满足抗拉强度、屈服强度、延伸率要求的Ti6Al4VELI合金部件。本发明能得到满足力学性能要求且塑性好的合金部件。能得到满足力学性能要求且塑性好的合金部件。能得到满足力学性能要求且塑性好的合金部件。


技术研发人员：王琮瑜 谢海波 杨华勇 丁红钦 张威 黄侃阳 谢翰斌 徐楠 陈小昌 刘仕尧 王炳 孙扬帆 洪昊岑
受保护的技术使用者：浙江大学高端装备研究院
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/28