[发明专利]纳米晶组织Ti-Zr-Cu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Ti‑Zr‑Cu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％)：Cu：1‑10；Zr：15‑20；余量为Ti。纳米晶组织Ti‑Zr‑Cu合金的制备方法为：利用选区熔化增材制造技术，激光功率350‑450W，扫描速度1200‑2500mm·S^‑1，层间偏转角45‑100°，能量密度50‑120J·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50～200nm之间。该纳米晶组织Ti‑Zr‑Cu合金的抗拉强度达到1200‑1500MPa，延伸率≥12％，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Ti-Zr-Cu合金及其激光选区熔化增材制造制备方法。

背景技术

钛合金因具有密度小、延展性好、疲劳性优异和断裂性能以及比强度高等优点而被广泛应用于航空航天，化工及生物医学等领域。选择性激光熔化(selective lasermelting,SLM)工艺是增材制造(additive manufacturing,AM)技术发展最快、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Ti-Zr-Cu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Ti-Zr-Cu合金，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：Cu：1-10；Zr：15-20；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：所述钛合金中铜含量为重量百分比Cu：3-6。

本发明还提供了上述纳米晶组织Ti-Zr-Cu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350-450W，扫描速度1200-2500mm·S^-1，层间偏转角45-100°，能量密度50-120J·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50～200nm之间，该合金在600℃及以下使用2h以内，晶粒不发生粗化长大。

该纳米晶组织Ti-Zr-Cu合金的抗拉强度达到1200-1500MPa，延伸率≥12％，可在航天航空、医学器械、工业等领域中应用，尤其适用于口腔、骨科植入医疗器械。

本发明的有益效果是：

(1)区别于现有增材制造钛及其合金(Ti6Al4V、纯Ti)的制备方法，本发明所提供的纳米晶组织Ti-Zr-Cu合金不存在贯穿柱状晶缺陷等缺陷，且显微组织为纳米尺寸级细条组织。

(2)本发明所述Ti-Zr-Cu合金具有优异的力学性能，实现了强塑性匹配。

(3)发明所提供的纳米晶组织Ti-Zr-Cu合金服役条件在600℃及以下使用1-2h，晶粒不发生粗化长大，能够保持优异的力学性能。

附图说明