一種用于3d打印的耐高溫鈦合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于3D打印制造領域，涉及3D打印材料，具體涉及一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料。
【背景技術】
[0002]“3D打印”是通俗的叫法，學術名稱為“快速原型制造”(Rapid Prototyping &Manufacturing)，是一種采用材料累加的成型原理。快速原型制造系統就像是一臺“立體打印機”，不需要傳統的刀具、機床、夾具，便可快速而精密地制造出任意復雜形狀的新產品樣件。3D打印技術是一種由信息技術、新材料技術與高端制造技術多學科融合發展的先進制造技術，不但克服了傳統減材制造造成的損耗，而且使產品制造更智能化，更精準，更高效。尤其是涉及到復雜形狀的高端制造，3D打印技術顯示出巨大的優越性。
[0003]金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發展方向。目前，3D打印耗材金屬粉末制備難度大、產量小、產品性能低。尤其是3D打印設計的高端制造不但結構復雜，而且對金屬材料的強度、韌性、塑性耐高溫性均有較高的要求。還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。
[0004]鈦合金作為常用的3D打印材料，在發動機領域得到了較好的應用。但鈦合金耐高溫性能一直困擾著其應用。根據通常規律，純鎳的熔點約為1450°C，其極限工作溫度高達1090°C，而鈦的熔點高達1670°C左右，那么鈦合金的極限工作溫度應超過1000°C。而實際上鈦合金的極限溫度也只有600°C。鈦合金的工作溫度一旦超過600°C，現有的各種強化合金的途徑均不能有效地阻止其蠕變;鈦合金的工作溫度越高，其熱穩定性間題就越突出，而當工作溫度超過600°C時，這一矛盾更尖銳化，以至達到很難解決的程度。尤其是各類發動機在超過600°C的條件下長時間工作，這一缺陷嚴重制約了鈦合金在耐高溫領域的應用。
[0005]隨著3D打印技術在發動機制造領域的應用，不但要求鈦合金具有耐高溫性，而且要求粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高，使得其耐高溫性的提升難度進一步加大。
【發明內容】
[0006]針對現有鈦合金通過3D打印制造金屬制品耐極限高溫難以突破600°C的缺陷，本發明提出一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料。該耐高溫鈦合金材料將鈦合金與非晶金屬配合，通過摻雜碳化鈦陶瓷提高耐溫性、強度、韌性，當溫度升高時非晶金屬發生結構晶化趨勢，使得鈦合金在650°C高溫條件下長時間工作不發生蠕變，從而克服了鈦合金3D打印金屬制品不耐高溫的缺陷。進一步推進了利用3D打印技術制造鈦合金發動機等耐高溫復雜裝備的應用。
[0007]—種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料，是通過如下技術方案實現的:
一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料，其特征是:含有非晶金屬和碳化鈦陶瓷，包括如下重量份原料:
鈦元素30-50份，
鎳元素10-15份，
鋁元素10-15份
鐵元素5-10份，
鉬元素4-7份，
鈷元素3-5份，
鉻元素6-8份，
非晶金屬2-3份，
碳化欽陶瓷3_5份，
其中，所述的非晶金屬是Cu6oZr4Q、La76Au24、U7oCr3o、FesoB〗。、Fe4oNi4oPi40、Fe5Co7oSi15B1()中的一種，因非晶金屬的結構處于非平衡狀態，有向更穩定的低能態轉變的趨勢，用于鈦合金時，當溫度升高時發生結構晶化，由高能態向低能態轉變，從而使得鈦合金在650°C高溫條件下不發生蠕變；
所述的碳化鈦陶瓷純度>99.0%，平均粒度50-80nm，耐溫性大于3000°C，具有高硬度、耐腐蝕、熱穩定性，通過分散在鈦合金以提高耐高溫性能；
一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料的制備方法，其特征是:制備方法如下:
1)按重量份計將鈦元素30-50份，鎳元素10-15份，招元素10-15份，鐵元素5-10份，鉬元素4-7份，鈷元素3-5份，鉻元素6-8份，非晶金屬2-3份，碳化鈦陶瓷3-5份與分散膠體1-2份加入研磨機分散研磨5-10min，研磨轉速300-400r/min，在研磨機作用下，分散膠體產生的自由羥基使物料表面活性比表面積提高，吉布斯自由能增大，從而促進機械力化學效應的發生，高硬度的非晶金屬、碳化鈦陶瓷微粒延伸入鈦合金微粒中；
2)將步驟1)得到的物料與0.5-1份分散劑加入振動磨中粉磨30-60min，振動磨粉磨轉速400-500r/min，物料在振動磨微細化分散過程中微粒減小，通過壓力噴霧機使物料分散并干燥得到鈦合金粉末；
3)將步驟2)得到的粉末鈦合金在旋轉式低溫爐中烘焙10-20min，烘焙溫度300-350°C，使合金陳化，處于穩定狀態，從而得到用于3D打印的耐高溫鈦合金材料。
[0008]上述制備方法步驟1)所述的分散膠體為氫氧化鋁膠體、氫氧化鐵膠體中的一種；上述制備方法步驟2)所述的分散劑為聚乙烯醇、聚氧乙烯十二烷基醚、聚乙二醇中的一種；
上述制備方法步驟1)所述的研磨機為星型球磨攪拌機，研磨腔室為搪瓷體，研磨介質為粒徑6-10mm的瑪瑙球、碳化鎢球、三氧化鋁瓷球中的一種，研磨介質用量為被研磨物料10-15W%o
[0009]上述制備方法步驟2)所述的振動磨為超微粉碎振動磨，超微粉碎振動磨由上磨筒、下磨筒構成，在上磨筒和下磨筒之間均設有振蕩器，在振動過程中，機械力強烈沖擊和磨剝作用使物料形成微細的球形狀顆粒，從而使鈦合金粉末粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好，用于3D打印時具有良好的輸送性。
[0010]本發明一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料及其制備方法，利用非晶金屬的高溫晶化特性和碳化硅陶瓷的高強、耐高溫特性，通過膠體研磨和燒結將鈦合金材料與非晶金屬配合，摻雜碳化鈦陶瓷提高耐溫性、強度、韌性，當溫度升高時非晶金屬發生結構晶化趨勢，由高能態向低能態轉變，使得鈦合金在650°C高溫條件下長時間不發生蠕變，從而克服了鈦合金3D打印金屬制品不耐高溫的缺陷。進一步推進了利用3D打印技術制造鈦合金發動機等耐尚溫復雜裝備的應用。
[0011]通過測試，本發明耐高溫鈦合金的室溫拉伸強度值在1050MPa—1200MPa之間，通過3D打印制造的發動機的長期工作溫度可達600-650°C。
[0012]本發明一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料及其制備方法，與現有技術相比，其突出的特點和優異的效果在于:
1、本發明一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料，含有非晶金屬和碳化鈦陶瓷，從而使得鈦合金在650°C高溫條件下不發生蠕變，強度提高，從而克服了鈦合金3D打印金屬制品不耐高溫的缺陷。
[0013]2、本發明一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料的制備方法，通過膠體研磨和燒結將鈦合金材料與非晶金屬配合，摻雜碳化鈦陶瓷，通過振動磨，機械力強烈沖擊和磨剝作用使物料形成微細的球形狀顆粒，從而使鈦合金粉末粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好，用于3D打印時具有良好的輸送性。
[0014]3、本發明一種用于3D打印的耐高溫鈦合金材料的制備方法，制備工藝易控，適合規模化生產。
【具體實施方式】
[0015]
以下通過【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發明上述方法思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包含在本發明的范圍內。
[0016]實施例1
1)按重量份計將鈦元素35份，鎳元素10份，招元素10份，鐵元素10份，鉬元素7份，鈷元素5份，絡元素8份，非晶金屬Cu6QZr4()3份，碳化鈦陶瓷3份與分散劑膠體氫氧化鋁膠體1份加入研磨機分散研磨lOmin，研磨轉速300-400r/min，在研磨機作用下，分散膠體產生的自由羥基使物料表面活性比表面積提高，吉布斯自由能增大，從而促進機械力化學效應的發生，高硬度的非晶金屬、碳化鈦陶瓷微粒延伸入鈦合金微粒中；
2 )將步驟1)得到的物料與0.5份分散劑聚乙稀醇加入振動磨中粉磨35min，振動磨粉磨轉速400-500r/min，物料在振動磨微細化分散過程中微粒減小，通過壓力噴霧機使物料分散并干燥得到鈦合金粉末；