[发明专利]基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，纳米颗粒增强钛基复合材料由增强相和基体复合后经SLM成型获得，增强相包含第一增强相，第一增强相为纳米陶瓷颗粒，基体为钛合金粉末，钛合金粉末为α+β双相钛合金。制备包括，第一阶段为高能球磨制备钛基复合粉末阶段，第二阶段为SLM成型制备纳米颗粒增强钛合金复合材料阶段。与现有技术相比，本发明可有效解决打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，具体涉及一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、导热率低等优点，已成为航空航天领域的重要结构材料。在保证强度相同的前提下，使用钛合金代替镍基高温合金和高强度钢，可以使部件减轻25％～30％。为进一步提升钛合金的强度及耐摩擦磨损性能，通常在钛合金中添加纳米陶瓷颗粒作为增强相形成钛基复合材料，以满足更高的服役性能要求及更加复杂的工况环境要求。但钛合金材料加工难度大，整体成材率低，因此制造环节周期长、成本高，若能大幅度降低制造成本，并显著提升服役性能，则钛合金具有极佳的规模化应用前景。

激光增材制造技术是上世纪80年代初由美国主导推进，并在90年代得到迅速发展的一项快速先进整体成型技术。其中，选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术，具体为：将结构设计通过构建计算机三维实体模型及控制激光束将铺放在粉末床中的金属粉体逐层熔化堆积直接进行快速成型制造，这种技术可实现复杂结构件的一次性整体成型制造，可大幅缩短加工周期，并能显著降低加工成本。与此同时，使用选区激光熔化技术成型的零件由于凝固速度快、激光功率密度低，因此可获得细小均匀的显微组织，从而保障成型件优异的综合机械性能。

现阶段针对纳米颗粒增强钛基复合材料的激光增材制造主要面临的问题有：(1)纳米颗粒与钛合金粉末的密度及质量差距大，使用普通工艺混合时纳米颗粒容易发生团聚，难以在钛合金粉末中均匀分散；(2)由于纳米颗粒多为陶瓷增强相，与钛合金的润湿性较差，同时两种材料热膨胀系数差异较大，导致在激光增材制造过程中，包裹纳米颗粒的液相容易在凝固时出现孔洞甚至发生开裂；(3)若要较大幅度的提升综合力学性能，纳米颗粒的种类以及与钛合金粉末的混合比例仍有待优化。由此可见，研发纳米颗粒增强钛基复合材料的制备方法、优化添加纳米颗粒的种类、纳米颗粒与钛合金粉末混合的质量配比，以及调控SLM制备纳米颗粒增强钛基复合材料的打印工艺参数是开发基于SLM成型的高性能纳米颗粒增强钛基复合材料亟待解决的核心技术，对于提升钛基复合材料综合性能及扩展钛基复合材料的工业化应用有重要意义。

专利CN110423910A涉及高温钛合金为基体的钛基复合材料构件的激光增材制造方法，步骤包括：(1)制备选区激光熔化用粉料：将高温钛合金粉末与增强体前体粉末混合均匀，或者将以高温钛合金为基体，分布增强体的高温钛基复合材料制粉；(2)选区激光熔化增材制造钛基复合材料构件：根据钛基复合材料构件STL格式的三维模型，选区激光熔化逐层铺设的选区激光熔化用粉料，直至钛基复合材料构件制造成三维实体。专利CN110423910A中是加入稀土氧化物产生强化，而本发明加入的是稀土粉末进行强化，专利CN110423910A中的钛合金主要由α相组成，而本发明的钛合金粉末为α+β双相钛合金，专利CN110423910A的强化原理和强化效果和本发明均不同。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于SLM成型的纳米颗粒增强钛基复合材料及其制备方法，可有效解决激光增材制造成型钛基复合材料的打印工艺窗口窄、工艺参数匹配性差、增强颗粒分布不均匀、显微组织存在织构导致室温及高温拉伸力学性能各向异性明显、耐摩擦磨损性能不佳等问题，使所获得的产品具备较佳的致密度以及优异的室温及高温力学性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：