[发明专利]一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末，按照质量百分比由以下原料组成：二硼化钛0.5～2wt.％，海绵钛98～99.5wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％。本发明还公开了上述含硼钛基复合粉末的制备方法，通过快速凝固的方法将硼元素加入钛粉中，可大幅度提高合金元素硼在Ti中的固溶度，使部分硼元素过饱和固溶到钛基体中；本发明制备的含硼钛基复合粉末，其增强相TiB的晶粒尺寸可以通过温度或能量密度从纳米级到微米级的精确控制，从而可制备不同尺寸增强相的钛基复合材料，满足不同力学性能的需求。

技术领域

本发明属于金属复合粉末制备及3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末，本发明还涉及上述含硼钛基复合粉末的制备方法。

背景技术

钛及钛合金因其低密度、比强度高、耐腐蚀性好、高温下抗蠕变性能强以及良好的生物相容性而被广泛用于航空航天、航海、医疗等领域。然而，由于钛的提取、熔炼和加工困难，钛锭的生产成本约为同质量钢锭的30倍，如果加工成航空航天用零部件费用更大。因此，降低钛及钛合金成本是进一步扩大钛的应用领域和用量的重要途径。

目前，制备钛基复合材料的方法主要是通过粉末冶金，熔铸等方法制备，首先是通过机械混合的方法将钛及外加增强相混合均匀后，采用粉末冶金或熔铸的方法制备而成，采用这种传统方法制备的钛基复合材料，高温下虽然具有高强度，但因塑性低，韧性差，且增强相尺寸受原始颗粒尺寸，温度等因素的影响，使得增强相尺寸不可控，在高温下导致其粗化长大，从而大大的降低了其使用的可靠性，限制了钛基复合材的广泛应用。

近年来，球形钛粉因其具有球形度高、流动性好、松装密度大、氧含量低等特点，被广泛的应用于粉末冶金、3D打印、热喷涂等领域，而3D打印是球形钛粉的一个重要应用领域。与传统技术相比，3D打印技术不用经过复杂的机加工工序就可以制造出形状复杂、难以用传统加工方法得到的产品，大大缩短了产品制造周期，同时材料利用率可达90％以上，不需要大型设备，可以为企业节约生产成本。目前，3D打印技术可将球形钛粉一次成形为钛合金叶片、整体叶盘等高性能构件，其力学性能可以接近锻造的水平。

目前采用3D打印技术制备钛基复合材料的研究中，其混合粉末的制备方法依然采用机械混合的方法，即将球形钛粉和增强相，如TiB₂等通过球磨的方法机械混合得到3D打印用混合粉末，然而，采用机械混合的方法制备的混合粉末存在很多问题，诸如球磨混合会破坏粉末球形度、混合不均匀、易引进其他杂质等问题，更重要的是，在3D打印制备过程中，这种原位生成的增强相尺寸不可控，而且分布不均匀，从而使得钛基复合材料的力学性能不可控，限制其广泛应用。

为了解决钛基复合材料在强度的有限提高与塑/韧性的显著下降的矛盾问题，以及增强相尺度不可控的问题，专利以增强相尺度效应为核心，提出了将传统增强相的原位反应—扩散—长大机制转变为过饱和固溶—形核—析出—长大机制的思路，通过熔铸—原位自生—快速凝固—粉末冶金组合制备技术，控制增强相形核—析出—长大过程，实现对增强相尺度特征的主动调控，从而达到对TiB/Ti复合材料可控制备和性能可控性研究的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末，解决了现有技术中含钛基复合材料中增强相尺寸不可控制的问题。

本发明的另一目的是提供上述一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末的制备方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末，按照质量百分比由以下原料组成：二硼化钛0.5～2wt.％，海绵钛98～99.5wt.％，以上各组分的质量百分比之和为100％。

本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于，

含硼钛基复合粉末中的TiB晶须尺寸可以通过温度精确调控。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种用于3D打印的含硼钛基复合粉末的制备方法，具体按照以下步骤实施：