一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法及其应用

技术领域

本发明属于钛合金增材制造技术领域，具体涉及一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法，还涉及一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法的应用。

背景技术

选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)是一种基于三维模型数据、利用高能激光束逐层选择性熔化金属粉末并直接获得具有任意形状零件的增材制造技术。该技术具有精度高、成形速度快、可打印材料范围广等优点，并且能根据用户不同需求实现个性化定制。打印结束后，未熔化的金属粉末还可以再次利用，这大大降低了生产成本。钛合金因其比强度高、生物相容性好、耐腐蚀性强、弹性模量低、疲劳性能优异被广泛应用于航空航天、生物医疗、船舶、国防等领域。由于传统方法生产钛合金存在加工困难、材料利用率低、生产周期长、生产成本高等诸多限制，使得近年来采用SLM这种“近净成形”工艺制备钛合金获得了越来越广泛的关注。由于SLM过程冷却速度极快(10

大量实验表明，在显微组织中获得一定比例的等轴晶可以显著改善材料的综合力学性能。塑性变形+退火处理是最常用来球化显微组织的方法，但这无法适用于SLM这种“近净成形”技术。因此，热处理成为了唯一有效的后处理手段。目前针对SLM成形钛合金最常用的热处理方法是单一退火处理，即将样品在一定温度下保温一段时间，然后空冷或随炉冷却至室温。这种方法虽然可以在样品中获得一定比例的等轴晶，但是由于数量较少，无法显著提升材料的延伸率。

一般而言，只有当热处理制度所获得等轴晶的上限超过所需等轴晶比例时，才能获得该上限以下的任意比例的等轴晶。相应的，获得等轴晶比例越高，表明对力学性能的调控范围越广，进而能适用的使用环境也更广。在此基础上，当要求钛合金材料的强度更高时，可以适当降低等轴晶的比例；而当要求钛合金更高塑性时，可以增加等轴晶的比例，进而实现对于钛合金材料力学性能的灵活调控。

基于此，提供一种能够获得大量等轴晶的3D打印钛合金热处理的方法，对于提高合金材料力学性能具有重要的意义，也是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法。

本发明的目的之二在于提供一种具有大量等轴晶且力学性能优异的3D打印钛合金。

本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法，包括以下步骤：

S1、将3D打印制备的钛合金置于惰性气氛下，于T

S2、将所述第一样品先升温至T

S3、将所述第二样品随炉冷却至T

S4、将步骤S1-S3重复多次，直至获得所需比例等轴晶的第三样品；

所述T

本发明提供的多级循环热处理的方法的总体思路如下：

由于选区激光熔化(Selective laser melting)SLM过程冷却速度极快，样品形成了极细小的针状马氏体并包含有大量的位错、孪晶及亚结构。在进行多级循环热处理初期，针状马氏体会发生分解并转换成α和β相；由于上述晶体学缺陷的存在，部分α板条中会出现晶界分裂的现象。随着循环次数的增加，晶界分裂逐渐加深，直至板条完全断裂。这些断裂的板条随着热处理的进行，逐渐粗化并最终形成等轴晶。优选地，步骤S4中，步骤S1-S3的重复次数为2～15次，更优选地，步骤S1-S3的重复次数为4～9次。

与常规的单一退火处理的方式相比(即将样品在一定温度下保温一段时间，然后空冷或随炉冷却至室温)，本发明采用了三个温度区间内的阶梯循环热处理方法，多阶梯升温和降温更有利于α晶粒的球化并且循环次数可以根据需要进行调控，从而获得更高比例的等轴晶粒。在三个温度区间的选取上，本发明限定了T

在上述方法中，可以通过调节各段的退火温度及最终的冷却起始温度来获得各种不同比例的显微组织，进而获得力学性能可控的制件。

进一步的，所述3D打印为选区激光熔化工艺；所述钛合金为近α型钛合金或α+β型钛合金。在本发明中，使用的钛合金均采用选区激光熔化工艺制备，样品中不存在晶界α相，因此无需采用任何后续处理来消除晶界α相，处理流程得以简化、提高处理效率。

优选地，所述T

优选地，所述升温速率为8～12℃/min。所述第一热处理、第二热处理、第三热处理的时间为1～3h，三段热处理时间可以相同，也可不同。具体地，可以根据实际所需的综合力学性能进行调整。

优选地，所述随炉冷却速率为2～8℃/min。

进一步的，本发明提供的获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法还包括以下步骤：S5、将第三样品冷却至室温。

在本发明中，完成步骤S4后热处理温度为T

优选地，步骤S5包括：将第三样品先在T

优选地，步骤S5包括：将第三样品先在T

优选地，步骤S5包括：将第三样品先在T

优选地，所述第四热处理的时间为1～3h。

在上述操作中，将步骤S4循环结束后的样品逐级升温至T

本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之一所述的方法制得的3D打印钛合金。在本发明中，通过调整多级循环热处理的方法中的各项参数，可以实现任意比例等轴晶调控，进而优化钛合金材料的综合力学性能。

在一些较好的实施方式中，经过本发明提供的方法处理后的3D打印钛合金的等轴晶比例达21.4％～36.8％，还具有优异的综合力学性能，其抗拉强度为880～939MPa，屈服强度为731～850MPa，延伸率为14.4％～17.2％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法，通过采用多级循环热处理在SLM制备的钛合金中获得了大量的等轴晶组织，并显著改善了材料的综合力学性能。

(2)本发明中各参数可调节范围广，可以通过任意改变各阶段热处理温度及最终冷却起始温度来获得所需的力学性能。

(3)本发明设计合理，方法步骤简单，易于操作，可实现连续化生产，具有广阔的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的一种获得大量等轴晶的3D打印钛合金多级循环热处理的方法的示意图；

图2为本发明实施例1中SLM TA15合金经多级循环热处理循环4次后的显微组织图片；

图3为本发明实施例2中SLM TA15合金经多级循环热处理循环9次后的显微组织图片；

图4为本发明实施例3中SLM TC4合金经多级循环热处理循环4次后的显微组织图片；

图5为本发明实施例4中SLM TC4合金经多级循环热处理循环9次后的显微组织图片；

图6为本发明实施例5中SLM TA15合金经多级循环热处理循环4次后的显微组织图片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1-9涉及的主要参数如下表1所示：

表1

实施例1

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温1h，再随炉以10℃/min的升温速率升至950℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以6℃/min的冷却速率降至850℃并保温1h，然后再随炉以6℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计4次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至850℃并保温1h，再随炉冷却至750℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例2

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温1h，再随炉以10℃/min的升温速率升至950℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以6℃/min的冷却速率降至850℃并保温1h，然后再随炉以6℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计9次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至850℃并保温1h，再随炉冷却至750℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例3

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TC4合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温1h，再随炉以8℃/min的升温速率升至950℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以4℃/min的冷却速率降至850℃并保温1h，然后再随炉以4℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计4次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至850℃并保温1h，再随炉冷却至750℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例4

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TC4合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温1h，再随炉以8℃/min的升温速率升至950℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以2℃/min的冷却速率降至850℃并保温1h，然后再随炉以2℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计9次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至850℃并保温1h，再随炉冷却至750℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例5

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温1h，再随炉以12℃/min的升温速率升至950℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以5℃/min的冷却速率降至850℃并保温1h，然后再随炉以5℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计4次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例6

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至750℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在750℃下保温2h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至850℃后保温2h，再随炉以10℃/min的升温速率升至950℃并保温2h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以8℃/min的冷却速率降至850℃并保温2h，然后再随炉以8℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计6次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至850℃并保温2h，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例7

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至700℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在700℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至800℃后保温1h，再随炉以10℃/min的升温速率升至900℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以8℃/min的冷却速率降至800℃并保温1h，然后再随炉以8℃/min的冷却速率降至750℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计4次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至800℃并保温1h，再随炉冷却至700℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例8

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至800℃，然后将SLM制备的TA15合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在800℃下保温1h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至900℃后保温1h，再随炉以10℃/min的升温速率升至970℃并保温1h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以8℃/min的冷却速率降至900℃并保温1h，然后再随炉以8℃/min的冷却速率降至800℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计4次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至900℃并保温1h，再随炉冷却至800℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

实施例9

一种获得大量等轴晶并显著提升3D打印钛合金塑性的多级循环热处理方法，包括以下步骤：

步骤1：将通有高纯氩气的热处理炉升温至730℃，然后将SLM制备的TC4合金样品置于炉内，开始进行热处理；

步骤2：将步骤1后的样品在730℃下保温3h，然后随炉以10℃/min的升温速率升至830℃后保温3h，再随炉以10℃/min的升温速率升至930℃并保温3h；

步骤3：将步骤2后的样品随炉以6℃/min的冷却速率降至830℃并保温3h，然后再随炉以6℃/min的冷却速率降至730℃；

步骤4：重复步骤2和步骤3共计9次；

步骤5：将步骤4后的样品再进行一次步骤2所述的热处理，然后随炉冷却至830℃并保温3h，再随炉冷却至730℃，随即取出空冷至室温，即得最终成品。

性能测试与表征

(一)微观形貌与等轴晶比例

图2-6展示了本发明实施例1-5中的钛合金样品经过不同次数的循环处理后的显微组织图片。由图2-6可以看出，实施例1-5处理后的钛合金材料，显微组织均由等轴α晶粒、棒状α晶粒、板条的α晶粒及少量的残余β相构成。可以看出各不同形貌的α晶粒的尺寸均较细小，细小的晶粒尺寸有利于材料强度的提升。

进一步的，对各实施例的钛合金材料中等轴晶比例进行计算，如下表2所示：

表2

由上表可知，实施例1-9处理后的样品显微组织中等轴晶比例均高于20％，其中实施例2、3、4、6和9的等轴晶比例达30％以上。

(二)力学性能测试

对实施例1-5处理后的钛合金材料进行综合力学性能测试，测试项目包括：抗拉强度、屈服强度和延伸率。各项测试结果如下表3所示：

表3

由上表可知，

采用本发明提供的方法处理后的钛合金材料，在具备较高比例的等轴晶的基础上，还具有优异的综合力学性能，其抗拉强度为880～939MPa，屈服强度为750～850MPa，延伸率为13.7％～17.2％。这表明，本发明提供的多级循环热处理方案可以有效的球化显微组织，为3D打印钛合金的组织性能优化提供了一种全新的方法。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。