一种具有良好增材制造成形性能的Zr‑Nb基合金及其应用的制作方法

本发明涉及一种具有良好增材制造成形性能的zr-nb基合金及其应用，有望用于金属增材制造技术领域。

背景技术：

zr-nb基合金因为其具有较高的强度，良好的韧性和生物相容性，较低的磁化率和杨氏模量而成为医疗器械和植入物的主要材料。但采用传统的加工方法对其进行加工，由于不同患者植入体的形状和尺寸有所差异，需要根据不同患者的具体要求进行制模，这将耗费大量的时间与成本。增材制造是一种以数字模型为基础，以高能束粒子流作为热源，将材料逐点或逐层堆积形成三维实体零件的新兴制造工艺。因为整个加工过程不需要任何磨具，与传统技术相比，增材制造技术节省至少30%~50%工时和降低20%~35%成本，极大的提高了零件的加工效益和经济效益。在成形过程中，任何复杂的三维实体零件均可用cad分割成简单的二维平面进行逐层加工，加工柔性化程度很高，这为复杂精密的零部件的一次性整体成形提供了完美的技术解决方案。在使用性能方面，由于高能束在很短的时间内与金属材料在很小的区域发生交互作用，材料表面局部区域的快速加热和熔池周围冷态基材的强换热作用，导致激光熔池和热影响区的冷却速率可达到10²~10⁶k/s左右，呈现典型的近快速凝固和固态相变特征，保证了金属零件具有良好的力学性能。目前增材制造所采用的合金大多是传统的铸造合金或锻造合金，但这些合金的成分设计是针对合金在铸造或锻造过程的工艺特征、组织及合金化特征和强韧化机制，而增材制造的工艺特性决定了其组织和合金化特征必然与传统的铸件或锻件具有较大差别，使得这些合金的设计通常无法充分发挥增材制造构件的力学性能，需要重新进行增材制造专用合金的设计，而增材制造的主要特征是合金在短时间内经历从熔炼到凝固的全过程，因此核心选材依据为具有高的熔体稳定性和熔体与固体结构的相容性，而从结构根源来看，材料的各种性能和化学近程序有关。通过引入描述化学近程序结构的团簇加连接原子模型，找到相应的近程序结构单元及其成分式，为增材制造的精确控形控性提供专用合金材料选材依据。

技术实现要素：

本发明基于zr-nb相图上共熔点处的成分，确定了该体系合金的成分与成形性能之间的规律，并提出了针对zr-nb体系合金的双团簇合金设计模型，该模型通过建立固溶体中的溶质近程序局域结构，得到最稳定熔体和具有良好熔体与固体间相容性的固溶体结构，从而确定了具有良好成形性能的zr-nb基合金的理想成分。

本发明采用的技术方案是：一种具有良好增材制造成形性能的zr-nb基合金，原子百分比表述式为zr752(zr,mo,sn)3.10.5(zr,ti,hf,nb,ta)21.91.5，其中zr,ti,hf,nb,ta元素单一或者混合的总量为21.91.5at.%，zr,mo,sn元素单一或者其混合的总量为3.10.5at.%，其它元素总量控制在1at.%以内；所述zr-nb基合金主要的合金化元素为具有低的磁化率、细化合金的晶粒、提高合金熔体的抗氧化性、熔体稳定性、减少液固相区、增强流动性和使合金具有良好的熔体与固体结构相容性的nb元素。

所述zr-nb基合金应用于增材制造技术专用合金的成分构建。

采用上述的技术方案，根据双团簇合金设计模型实施合金成分设计，该模型给出了化学近程序结构单元和相应成分式。合金元素首先与基体锆元素构建稳定固溶体结构单元，在zr-nb体系中，稳定固溶体的成分式为[zr-zr14+zr-zr8nb6]nbzr=nb7zr25，因为元素zr与元素nb呈正混合焓，因此元素zr位于团簇的中心位置。为了获得良好的力学性能，需要添加多组元合金元素进行成分优化，合金元素的添加则是在团簇式的基础上进行原子间的整数替代。最后确定了多组元钛合金成分式为zr752(zr,mo,sn)3.10.5(zr,ti,hf,nb,ta)21.91.5，其中zr,ti,hf,nb,ta元素单一或者混合的总量为21.91.5at.%，zr,mo,sn元素单一或者其混合的总量为3.10.5at.%，其它元素总量控制在1at.%以内。

本发明的有益效果是：1）(zr,ti,hf,nb,ta)元素单一或者混合的总量为21.91.5at.%时，具有良好的综合力学性能；2）(zr,mo,sn)元素单一或者其混合的总量为3.10.5at.%时，具有较低的磁化率；3）通过双团簇合金设计模型，控制了合金元素添加量，保证了合金具有较小的液固相区，同时又具有良好的力学性能。

附图说明

图1是zr-nb二元相图。

图2是质量磁化率随nb含量的变化。

图3是延伸率随nb含量的变化。

图4是杨氏模量随nb含量的变化。

具体实施方法

以下实施例将对本发明予以进一步说明。

以zr-nb合金为基础体系，根据双团簇合金设计模型进行合金元素的原子整数替代。

以下结合具体实验步骤说明本发明的具体实施方式。

1、合金的制备：根据双团簇合金设计模型[zr-zr14+zr-zr8nb6]nbzr=nb7zr25，得到二元合金成分为nb21.8zr78.2(at.%)，将元素由原子百分比转变为质量百分比为22.1nb-77.9zr(wt.%)进行成分配比；利用真空电弧炉在ar气气氛保护下对配制的合金原料进行多次熔炼，使合金成分均匀，得到母合金锭。所述成分在图1的共熔点附近。

2、铸态组织的观察：对铸态试样进行金相制备，利用金相显微镜对试样进行组织观察。

3、力学性能的测试：在22.1nb-77.9zr(wt.%)成分处，合金的屈服强度为565mpa,抗拉强度为615mpa，质量磁化率为1.44×10^-6cm·g^-1，如图2所示；延伸率为13%，如图3所示；杨氏模量为60gpa,如图4所示。在该成分处合金的综合力学性能良好，同时还具有良好的成形能力。

4、激光加工：将母合金锭用线切割加工成厚度为0.5mm的薄片，磨掉薄片表面划痕；将处理后的薄片放在长×宽×高为20mm×20mm×10mm的纯ti板上，使用激光加工系统进行加工，使样品完全熔化，保护气氛为ar气。

5、激光加工后组织的观察：观察激光加工后的样品宏观形貌发现，激光扫描后的22.1nb-77.9zr(wt.%)合金宏观形貌为向上凸起，表面光滑，成形性能良好。