[发明专利]纳米晶组织TiZr-Ag合金及其激光选区熔化增材制造制备方法

说明书

本发明涉及钛合金材料领域，具体为一种纳米晶组织TiZr‑Ag合金及其激光选区熔化增材制造制备方法。所述合金的化学成分如下(重量％)：Ag：1‑10；余量为Ti。纳米晶组织TiZr‑Ag合金的制备方法为：利用选区熔化增材制造技术，激光功率300‑400W，扫描速度800‑1500mm·S^‑1，层间偏转角60‑120°，能量密度10‑100J·mm^‑3。制备所得材料的显微组织为纳米尺寸级细条组织，细条组织的宽度在30～200nm之间。该纳米晶组织TiZr‑Ag合金的抗拉强度达到1200‑1500MPa，延伸率≥13％，可在航天航空、医学材料、工业等领域中应用。

技术领域

本发明涉及钛合金材料领域，具体为一种纳米晶组织TiZr-Ag合金及其激光选区熔化增材制造制备方法。

背景技术

钛合金具有耐蚀性强、比强度高、生物相容性优异、弹性模量较低等优点，从而逐渐成为口腔修复、矫形外科、种植体等领域中金属医疗器械的首选材料，如骨创伤产品(髓内钉、钢板、螺钉等)、人工关节(胯 、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、介入支架、人工心脏瓣膜等。医用钛合金的发展可分为三个阶段：第一个阶段以纯钛(α型)和Ti-6Al-4V(α+β型)为代表；第二个阶段以 Ti-6Al-7Nb(α+β型)和Ti-5Al-2.5Fe(α+β型)为代表；第三个阶段以开发弹性模量更低、生物相容性更好的β型钛合金为目标。

3D打印技术是后工业时代发展起来的新型制造技术，其通过计算机辅助设计和制造，经过二维叠加增材制造出具有三维结构的复杂产品，目前已经从最初的高分子材料产品，发展到金属、陶瓷的3D打印产品。3D打印技术在医学中应用的突出优势就是能够针对病患进行医疗器械的个性化设计和制造，并能制造出具有复杂甚至多孔结构的各种植入物。因此，3D 打印技术在医学中的应用优势明显，前景广阔。

其中，选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)工艺发展最快、应用最广泛的技术之一。其特点是使金属粉末快速熔化和凝固，进而快速成型结构复杂的金属零件。SLM技术的工作原理是通过预设激光扫描策略使高激光束按照零件截面的成形需求，逐层熔融金属粉末快速成形金属零部件。SLM技术具有晶粒细化、避免偏析、节能环保、复杂结构件一次成形等优势。因此，SLM技术制备结构复杂的钛合金零部件将在航天航空或医疗器械等领域具有广阔的前景。

然而，SLM技术逐点逐线逐层的沉积方式产生了由多重非稳态水平和垂直热循环构成的独特复杂热历史，导致成形过程中钛合金的显微组织是由贯穿初生柱状β晶粒的针状马氏体α'构成，导致材料的力学性能，特别是塑性较差，极大地限制了SLM技术制备钛合金在航天航空及医学领域中的应用。

发明内容

发明的目的在于提供一种纳米晶组织TiZr-Ag合金及其激光选区熔化增材制造制备方法，为实现上述目标，本发明的技术方案是：

一种纳米晶组织TiZr-Ag合金，其特征在于：无论是预合金粉末还是混粉末，按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：为Ag：1-10；Zr：14-18；余量为Ti。合金中杂质元素的含量应符合《钛及钛合金牌号和化学成分表》国家标准中的相应要求。

作为优选的技术方案：所述钛合金中银含量为重量百分比Ag：2-5。

本发明还提供了上述纳米晶组织TiZr-Ag合金的增材制造制备方法：

该钛合金的制备方法为选择性激光熔化，具体参数为：激光功率 300-400W，扫描速度800-1500mm·S^-1，层间偏转角60-120°，能量密度10-100J·mm^-3。

制备所得材料的显微组织为纳米尺寸级细条组织，细条组织的宽度在 30～200nm之间，该合金在650℃及以下使用3h以内，晶粒不发生粗化长大。