CN104550949A - 一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子束加工技术领域，具体为一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，该方法适用于各种复杂结构Ti-6Al-4V金属零件的快速成形制备。首先，制备Ti-6Al-4V三维金属零件；然后，对制备的三维零件在800℃～1000℃进行热等静压处理；最后，对钛合金部件在700℃～1000℃进行退火处理和400℃～600℃进行时效处理。通过以上工艺过程，可以获得抗拉强度高于900MPa，延伸率高于10%，疲劳强度高于500MPa，冲击韧性高于30J/cm²的优异综合力学性能的Ti-6Al-4V复杂结构三维零件，可在航天、医疗等领域获得广泛应用。

Description

一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法

技术领域：

本发明涉及电子束加工技术领域，具体为一种电子束快速成形Ti-6Al-4V高性能三维金属零件的方法，该方法适用于各种复杂结构Ti-6Al-4V金属零件的快速成形制备。

背景技术：

电子束熔化逐层成型技术(Additive Fabrication via Electron Eeam Melting,AM-EBM)是近年快速发展的先进制造技术之一。EBM技术以电子束为能量源，通过对零件的三维数字模型分层切片处理，使其离散成一系列二维数据文件，然后按照每一层的文件信息通过计算机系统控制电子束移动将金属粉末逐层熔融堆积，最终得到与设计文件完全一致的样件。该技术集中体现了计算机辅助设计、数控、电子束加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用，能够快速制备精度高、结构复杂的金属部件，具有高精度、高效率和高性能等优点，在航空航天、医疗、化工等领域有着广泛的应用，受到了各国学者和研究人员的密切关注。

与另一种快速成形技术-激光快速成形技术相比，EBM技术制备的金属零件残余内应力低，成形效率高，在生产大尺寸三维金属零件方面具有明显的优势。但是EBM技术生产的零件性能与EBM工艺参数密切相关，对于不同的金属需要相对应的工艺参数进行生产制备。在EBM法制造样品过程中，输入能量、电子束扫描速度等制备工艺参数以及样品尺寸、堆积方向等均会影响各分层面的融化及凝固速率，进而影响样品的组织及性能。

钛合金由于具有比强度高、弹性模量低、抗腐蚀性优异和良好的生物相容性等优点，在医疗和航空航天领域具有广泛的应用。在医疗和航空航天领域的实际应用中，常需要一些具有复杂内部结构的金属零件。对钛合金来说，采用常规加工方法加工这些部件具有很大难度，并且成本很高。而采用EBM法进行这些金属零件的加工制备具有明显的优势，能够实现这些零件的工业规模高效快速制备。目前各国学者已针对上述因素对EBM法Ti-6Al-4V合金制品的组织及性能影响开展了研究（Nikolas H,Timothy Q.Mater Sci Eng A,2013;573:271；Nikolas H,Timothy Q.Mater Sci Eng A,2013;573:264；Murr L E,Esquivel E V,Quinones S A,Gaytan S M,Lopez M I,Martinez E Y,Medina F,Hernandez D H,Martinez E,Martinez J L,Stafford S W,Brown D K,Hoppe T,Meyers W,Lindhe U,Wicker R B.Materials Characterization,2009;60:96）。但这些研究只局限于工艺参数对Ti-6Al-4V合金拉伸性能的影响，缺乏对疲劳性能、冲击性能及缺口敏感性能的影响。此外，EBM产品的后处理（热等静压和热处理）对其力学性能的应先还没有人涉及。

因此，需要研究电子束输入能量、样品尺寸等工艺参数、热等静压及热处理等后处理技术对EBM法制备的Ti-6Al-4V合金力学性能的影响，获得高效制备优异力学性能Ti-6Al-4V三维金属零件的电子束快速成形方法，更好的服务于医疗、航天等领域。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，解决目前高效快速制备复杂结构Ti-6Al-4V三维金属零件的难题。

本发明的技术方案：

一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，具体步骤如下：

（1）Ti-6Al-4V三维金属零件制备，以Ti-6Al-4V粉末为原材料，采用电子束熔融金属成型技术制备Ti-6Al-4V块三维金属零件；

（2）Ti-6Al-4V三维金属零件热等静压处理，对Ti-6Al-4V三维金属零件在800℃～1000℃进行热等静压处理；

（3）Ti-6Al-4V三维金属零件热处理，对Ti-6Al-4V三维金属零件在700℃～1000℃进行退火处理和400℃～600℃进行时效处理，最终获得优异力学性能的Ti-6Al-4V三维金属零件。

所述步骤（1）中，首先在基板表面均匀铺一层Ti-6Al-4V金属粉末，然后用电子束在真空室内将所述金属粉末逐层熔化、沉积，通过控制电子束熔化工艺参数、堆积成形参数，直至整个三维零件制造完成。

所述步骤（1）中，Ti-6Al-4V粉末为球形，直径为30μm～150μm。

所述步骤（1）中，电子束熔融金属成型技术的工艺参数范围为，电子束电流为5～30mA，扫描速度为1000～20000mm/s。

为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，零件初始成形高度应控制在距基板10mm～30mm。为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，尽可能使堆积方向垂直于基板方向。为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，零件壁厚应大于2mm。

所述步骤（2）中，Ti-6Al-4V热等静压的具体参数为：热等静压加热温度为800℃～1000℃，保温时间为1～3h，所加压力为100～200MPa，冷却方式为炉冷。

所述步骤（3）中，Ti-6Al-4V三维金属零件热处理采用两相区二步热处理，具体步骤为：

（1）两相区退火处理；

（2）两相区时效处理。

所述两相区退火处理所用设备为真空热处理炉，热处理温度为700℃～1000℃，保温时间为1～3h，冷却速度为1～3℃/min；

所述两相区时效处理所用设备为真空热处理炉，热处理温度为400℃～600℃，保温时间为1～3h，冷却速度为8～15℃/min。

本发明中，电子束熔融金属成型技术（Electron Beam Melting）简称EBM技术，是近年来一种新兴的先进金属快速成型制造技术，其原理是将零件的三维实体模型数据导入EBM设备，然后在EBM设备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后，在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层。

本发明中，采用的电子束熔融金属成型设备为常规技术，如：泛亚特科技有限公司生产的Arcam A1电子束熔炼EBM系统（Electron Beam Melting），其工艺参数范围为：电子束电流为5～30mA，扫描速度为1000～20000mm/s。该系统直接从CAD到成品制造完成的全自动化系统，是复杂结构钛合金三维零件批量生产工具，通过金属粉末在高能电子束的轰击下，一层一层的生长，每层的形状都通过三维CAD控制，利用电子束熔炼系统，可以达到高的熔炼能力和生产率。

本发明方法制备的Ti-6Al-4V三维金属零件拉伸强度高于900MPa，延伸率高于10%，疲劳强度高于500MPa，抗冲击性能高于30J/cm²，其综合力学性能明显高于铸件和锻件。

本发明的有益效果：

1、本发明采用电子束熔融金属成型技术制备高性能Ti-6Al-4V三维金属零件，产品的外形、内部结构完全可控，可根据实际需求进行个体化、复杂结构三维金属零件的制备；其制备工艺简单，成本明显低于机械加工等其他制备手段，生产效率高，适合工业规模生产。

2、本发明通过控制电子束熔融金属成型方法制备Ti-6Al-4V三维金属零件工艺过程中的工艺参数优化、后期热等静压和热处理等环节，能够获得具有优异综合力学性能的复杂结构Ti-6Al-4V三维金属零件，在医疗、航空航天领域具有非常广阔的应用前景。

3、本发明通过对Ti-6Al-4V三维金属零件在800℃～1000℃进行热等静压处理，400℃～1000℃之间进行退火和时效两步热处理，获得拉伸强度高于900MPa，延伸率高于10%，疲劳强度高于500MPa，抗冲击性能高于30J/cm²，通过热等静压和热处理工艺控制EBM法Ti-6Al-4V三维金属零件的力学性能，从而获得具有优异力学性能的大尺寸复杂结构钛合金三维构件。

总之，本发明方法工艺简单，成本低，成形零件精度高，适用于工业大规模生产。本发明通过电子束工艺参数、热等静压工艺以及热处理工艺控制Ti-6Al-4V成形材料的力学性能，从而获得具有优异力学性能的Ti-6Al-4V复杂结构三维零件，可在航天、医疗等领域获得广泛应用。

附图说明：

图1（a）为人体头颅骨CAD模型；

图1（b）为Ti-6Al-4V人体头颅骨模拟件；

图2为Ti-6Al-4V合金粉末形貌；

图3（a）国际象棋棋子CAD模型；

图3（b）为Ti-6Al-4V国际象棋棋子；

图4（a）为髋臼杯CAD模型；

图4（b）为Ti-6Al-4V髋臼杯；

图5（a）为CAD空心球模型；

图5（b）为Ti-6Al-4V空心球。

具体实施方式：

本发明中，首先采用CAD软件进行模型设计，然后将设计好的图形文件导入Magics软件进行图形纠错和优化，以保证电子束熔融金属成型过程的顺利进行；将优化处理后的图形文件转换成abf格式文件导入电子束熔融金属成型设备的计算机控制系统，以Ti-6Al-4V粉末为原材料利用电子束熔融金属成型设备制备Ti-6Al-4V三维金属零件。

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1（a）所示，利用CAD软件设计人体头颅骨模型模型，壁厚为3mm。以Ti-6Al-4V合金粉末（图2，粉末直径为50～80μm）为原料，采用Arcam A1型电子束熔融设备制备Ti-6Al-4V人体头颅骨模型，电子束扫描速度为10000mm/s，电子束电流为18mA，制备的Ti-6Al-4V人体头颅骨模型如图1（b）所示。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V人体头颅骨模型进行热等静压处理，工艺为：温度为920℃，压力为120MPa，保温时间为3h。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V人体头颅骨在两相区进行二步热处理：

（1）两相区退火处理利用真空热处理炉，对制备的Ti-6Al-4V人体头颅骨在800℃保温1h，以1℃/min的速度冷却到室温。

（2）两相区时效处理利用真空热处理炉，热处理温度为500℃保温3h，以10℃/min的速度冷却到室温。

本实施例中，Ti-6Al-4V人体头颅骨模型抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性相关参数如下：该钛合金材料抗拉强度为1000MPa，屈服强度为900MPa，延伸率为11%，疲劳强度为530MPa，冲击韧性为32J/cm²。本实施例中Ti-6Al-4V人体头颅骨模型的抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性明显优于文献中报道的锻态及铸态Ti-6Al-4V合金。

实施例2

如图3（a）所示，利用CAD软件设计国际象棋棋子模型，棋子最薄壁厚为4mm。以Ti-6Al-4V合金粉末为原料（图2，粉末直径为50～80μm），采用ArcamA1型电子束熔融设备制备Ti-6Al-4V国际象棋棋子，电子束扫描速度为13000m/s，电子束电流为20mA，堆积方向垂直于基板方向。制备的Ti-6Al-4V国际象棋棋子如图3（b）所示。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V人体头颅骨模型进行热等静压处理，工艺为：温度为950℃，压力为100MPa，保温时间为2h。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V国际象棋棋子在两相区进行二步热处理：

（1）两相区退火处理利用真空热处理炉，对制备的Ti-6Al-4V国际象棋棋子在900℃保温1.5h，以2℃/min的速度冷却到室温。

（2）两相区时效处理利用真空热处理炉，热处理温度为600℃，保温时间1h，以15℃/min的速度冷却到室温。

本实施例中，Ti-6Al-4V国际象棋棋子抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性相关参数如下：该钛合金构件抗拉强度为980MPa，屈服强度为880MPa，延伸率为15%，疲劳强度为550MPa，冲击韧性为33J/cm²。本实施例中Ti-6Al-4V国际象棋棋子的抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性明显优于文献中报道的锻态及铸态Ti-6Al-4V合金。

实施例3

如图4（a）所示，利用CAD软件设计髋臼杯模型，髋臼杯表面带有2mm厚的多孔结构，髋臼杯最薄处为2mm。以Ti-6Al-4V合金粉末为原料（图2，粉末直径为50～80μm），采用Arcam A1型电子束熔融设备制备Ti-6Al-4V髋臼杯，电子束扫描速度为12500mm/s，电子束电流为25mA，堆积方向为垂直基板方向。制备的Ti-6Al-4V髋臼杯如图4（b）所示。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V髋臼杯进行热等静压处理，工艺为：温度为940℃，压力为110MPa，保温时间为2.5h。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V髋臼杯在两相区进行二步热处理：

（1）两相区退火处理利用真空热处理炉，对制备的Ti-6Al-4V髋臼杯在700℃保温3h，以1℃/min的速度冷却到室温。

（2）两相区时效处理利用真空热处理炉，热处理温度为550℃，保温时间3h，以8℃/min的速度冷却到室温。

本实施例中，Ti-6Al-4V髋臼杯抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性相关参数如下：该钛合金构件抗拉强度为1180MPa，屈服强度为1100MPa，延伸率为10%，疲劳强度为568MPa，冲击韧性为31J/cm²。本实施例中Ti-6Al-4V髋臼杯的抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性明显优于文献中报道的锻态及铸态Ti-6Al-4V合金。

实施例4

如图5（a）所示，利用CAD软件设计空心球体，空心球壁厚为3mm，且一半为多孔结构。以Ti-6Al-4V合金粉末为原料（图2，粉末直径为50～80μm），采用Arcam A1型电子束熔融设备Ti-6Al-4V空心球体，电子束扫描速度为15000mm/s，电子束电流为24mA，堆积方向为垂直于基板方向。制备的Ti-6Al-4V空心球体如图5（b）所示。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V空心球体进行热等静压处理，工艺为：温度为920℃，压力为120MPa，保温时间为2.5h。

本实施例中，对制备的Ti-6Al-4V空心球体在两相区进行二步热处理：

（1）两相区退火处理利用真空热处理炉，对制备的空心球体在750℃保温1h，以3℃/min的速度冷却到室温。

（2）两相区时效处理利用真空热处理炉，热处理温度为450℃，保温时间2.5h，以9℃/min的速度冷却到室温。

本实施例中，Ti-6Al-4V空心球体抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性相关参数如下：该空心球体抗拉强度为1050MPa，屈服强度为950MPa，延伸率为11%，疲劳强度为550MPa，冲击韧性为33J/cm²。本实施例中Ti-6Al-4V空心球体的抗拉强度、延伸率、疲劳强度、冲击韧性及缺口敏感性明显优于文献中报道的锻态及铸态Ti-6Al-4V合金。

实施例结果表明，采用该方法可制备具有复杂结构Ti-6Al-4V三维构件，工艺简单，成本低，适合工业规模大批量生产，获得的Ti-6Al-4V三维构件具有高抗拉强度、高韧性、高疲劳性能、高抗冲击能力，在医疗及航空航天领域具有非常广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）Ti-6Al-4V三维金属零件制备，以Ti-6Al-4V粉末为原材料，采用电子束熔融金属成型技术制备Ti-6Al-4V块三维金属零件；

（2）Ti-6Al-4V三维金属零件热等静压处理，对Ti-6Al-4V三维金属零件在800℃～1000℃进行热等静压处理；

（3）Ti-6Al-4V三维金属零件热处理，对Ti-6Al-4V三维金属零件在700℃～1000℃进行退火处理和400℃～600℃进行时效处理，最终获得优异力学性能的Ti-6Al-4V三维金属零件。

2.按照权利要求1所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，首先在基板表面均匀铺一层Ti-6Al-4V金属粉末，然后用电子束在真空室内将所述金属粉末逐层熔化、沉积，通过控制电子束熔化工艺参数、堆积成形参数，直至整个三维零件制造完成。

3.按照权利要求1所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，Ti-6Al-4V粉末为球形，直径为30μm～150μm。

4.按照权利要求1所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，电子束熔融金属成型技术的工艺参数范围为，电子束电流为5～30mA，扫描速度为1000～20000mm/s。

5.按照权利要求2所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，零件初始成形高度应控制在距基板10mm～30mm。

6.按照权利要求2所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，尽可能使堆积方向垂直于基板方向。

7.按照权利要求2所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，为保证三维零件整体组织及力学性能均匀，零件壁厚应大于2mm。

8.按照权利要求1所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，Ti-6Al-4V热等静压的具体参数为：热等静压加热温度为800℃～1000℃，保温时间为1～3h，所加压力为100～200MPa，冷却方式为炉冷。

9.按照权利要求1所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，Ti-6Al-4V三维金属零件热处理采用两相区二步热处理，具体步骤为：

（1）两相区退火处理；

（2）两相区时效处理。

10.按照权利要求9所述的电子束快速成形Ti-6Al-4V三维金属零件的方法，其特征在于：

所述两相区退火处理所用设备为真空热处理炉，热处理温度为700℃～1000℃，保温时间为1～3h，冷却速度为1～3℃/min；

所述两相区时效处理所用设备为真空热处理炉，热处理温度为400℃～600℃，保温时间为1～3h，冷却速度为8～15℃/min。