[发明专利]激光3D打印用TC21钛合金粉末及制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明属于用于激光3D打印的高活性金属粉末制备技术领域，具体涉及一种激光3D打印用球型TC21钛合金粉末及制备和使用方法。

技术背景

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等优良性能，被广泛应用于航空航天等领域。在过去几十年中，航空用钛合金的合金化理论、综合强韧化技术和热处理工艺均得到了很大发展。随着科学技术的进步，飞行器的性能要求，先进的钛合金材料逐步向具有高断裂韧性和低裂纹扩展速率的损伤容限型钛合金方向发展。国外发达国家已成功地将中强度的Ti-6Al-4V和高强度Ti-62222S应用在美国F-22，F35，和C-17飞机上，大大提高了飞机的使用寿命和战斗力。为了紧跟世界研发损伤容限型钛合金的潮流，“十五”期间，我国启动了高强、高韧、高损伤容限型钛合金的研究计划，西北有色金属研究院、西北工业大学等单位成立了联合课题组，成功研制了名义成分为Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si的α+β两相钛合金TC21合金，该合金强度高达1100MPa、K_IC达70～90MPa·m^1/2、并具有较低的裂纹扩展速率，与美国Ti-62222S相当。TC21合金因其良好的强度、塑性、断裂韧性以及裂纹扩展速率的良好匹配，广泛应用于航空航天的结构件。

激光3D打印快速成形技术是利用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体，粉末或薄片材料，加工出要求形状的薄层，逐层累积形成实体模型。利用3D激光打印技术成型钛合金，较锻造、铸造等制备方法，它周期短、柔性高、无需专用工装、近净成型、材料种类与零件复杂程度几乎不受限制，由于采用叠加技术，相较于传统制备方法它节约了90％十分昂贵的原材料，能有效降低生产成本，因此成为钛及钛合金零部件制造的重要途径。TC21作为一种新型的两相钛合金，集高强、高韧、损伤容限于一身，是我国航空航天结构件的重要选材之一。TC21除具有钛合金本身的不易热成形、较难机加工及成本较高外，其高强度增加了成形的难度。采用精密铸造、精密塑性成形、粉末冶金等传统方法成形TC21时，存在周期较长、对设备要求高、柔性化较差等特征。采用激光3D打印技术，快速成型TC21钛合金，成形件组织细小、性能与锻件相当、具有短周期、高柔性等特点。因此，采用激光3D打印快速成型TC21势在必行。

3D激光打印用钛粉的性能是决定钛及钛合金粉末产品的关键因素。3D激光打印用金属粉末是指：尺寸小于1mm的金属颗粒群，包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。3D激光打印用金属粉末除具备粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高和良好的可塑性外，还必须具备流动性好和松装密度高等要求。由于国内对此方面研究较少，故激光3D打印用金属粉末，大多依靠从国外进口，高性能钛合金粉末已被国外垄断。因此，在国内研究高性能激光3D打印用粉末迫在眉睫。研究具有自主产权的粉末，从粉末的粒径分布、球形度、空心球率、化学成分、松装密度、流动性、含氧量及其激光3D打印后试样的组织结构、物相组织、力学性能等方面入手，对所生产的粉末进行成形性研究，使其满足国家标准，满足汽车、轮船、航空器等高端设备的打印需求。这将为我国高端汽车、轮船和航空航天事业的快速发展，奠定坚实的基础。

发明内容

针对现有的钛合金粉末的真空感应熔炼气雾化制备及其相应的打印技术所存在的问题，结合激光3D打印钛合金粉末需要高球形度、低空心球率、适合的粒径分布以及良好的松装密度和流动性等性能要求，以及其成型后试样的组织结构、物相组织、力学性能的研究，本发明提供用于激光3D打印的球形TC21钛合金粉末的制备及其打印技术。

本发明的激光3D打印用TC21钛合金粉末，成分按质量百分比为：Al：5.5～6.7％，Sn：1.7～2.4％，Zr：1.7～2.4％，Mo：2.4～3.1％，Cr：1.0～1.8％，Nb：1.8～2.2％，Fe：0.004～0.18％，C：0.004～0.01％，N：0.002～0.009％，H：0.003～0.01％，O：0.08～0.1％，余量为Ti。

本发明的激光3D打印用TC21钛合金粉末，其颗粒为球形，粉末颗粒的粒径为1～180μm，其含氧量0.08～0.10％，松装密度为2.6～2.8/cm³，空心球率小于等于3％。

所述粉末颗粒的粒径为54～180μm的激光3D打印用TC21钛合金粉末，其流动性为20.08～25.20s/50g。