钛基复合材料粉末、钛基复合材料制件及其制备方法

本发明涉及金属材料及其制备，具体涉及一种钛基复合材料粉末、钛基复合材料制件及其制备方法。

背景技术：

1、钛或钛合金具有轻质高强，生物相容性好、低弹性模量等特点，得到了国内外研究者的普遍关注，现阶段已在汽车船舶、航空航天、医疗器械等领域得到了广泛应用。然而，近年来随着现代工业及科技的快速发展，对于高性能材料在耐磨、耐腐蚀、高强韧性等方面提出了更加严苛的要求，向具有良好塑韧性的钛或钛合金基体中引入具有优异强度、硬度、耐磨性的陶瓷增强相颗粒，制成钛基复合材料能够满足上述需求，钛基复合材料发展至今已成为航空航天等领域最具发展潜力的结构材料之一。

2、基于分层制造逐层叠加原理的增材制造技术相比与传统制造工艺具有精度高、快速、灵活、小批量个性定制化、易于制备复杂形状等特点。选区激光熔化(selectivelasermelting，slm)作为增材制造技术的一种，被认为是最具潜力的金属材料加工制备技术之一，同样也为高性能钛基复合材料的制备开辟了一种新思路。目前制约增材制造钛基复合材料发展的重要因素主要有原料粉末的制备技术及其成本控制，为此国内外展开了大量低成本化技术开发及研究工作，如等离子球化法及机械整形法，但是这些技术亦存在着诸多局限性。如等离子球化法设备复杂，价格昂贵，效率低；机械球磨粉末复合效果不理想，粉末收得率低。

3、因此，亟需开发新型的钛基复合粉末制备技术。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种钛基复合材料粉末、钛基复合材料制件及其制备方法，该钛基复合材料粉末的制备方法基于pcs法，制备得到的钛基复合材料粉末球形度好、成本低、流动性好，而且基体粉末与增强相颗粒之间可形成冶金结合，能够很好的适配增材制造的需求。

2、为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种利用pcs法制备钛基复合材料粉末的方法。

3、该利用pcs法制备钛基复合材料粉末的方法包括以下步骤：

4、将基体粉末和增强相颗粒进行行星式球磨，获得混合粉末；其中，所述基体粉末为钛或钛合金粉末；

5、将所述混合粉末放入pcs设备中，在保护气氛下以2000～7000r/mim转速处理1～240min；

6、将处理后的所述混合粉末进行筛分，获得所需钛基复合材料粉末。

7、进一步的，所述行星式球磨包括以下步骤：

8、称取基体粉末、增强相颗粒以及磨球并放入行星式球磨罐；

9、在保护气氛下，行星式球磨罐以20～200r/min运行，球磨时间为0.2～60h；

10、运行结束后，进行粗筛去除磨球，获得所述混合粉末；

11、优选的，所述增强相颗粒的质量为所述基体粉末与所述增强相颗粒总质量的20％以内；

12、优选的，行星式球磨罐以40～100r/min运行，球磨时间为4～12h。

13、进一步的，按照所述磨球质量：所述基体粉末与所述增强相颗粒总质量为x：y的球料比称取磨球；其中：x、y均为任意自然数；

14、优选的，所述磨球包括但不限于氧化锆、不锈钢、氧化铝磨球；

15、优选的，所述磨球的粒度≤30mm；优选的，选取不同直径的磨球进行混合；

16、优选的，选取直径为5mm的磨球与直径为10mm的磨球进行1:1混合；

17、优选的，所述磨球的直径为10mm。

18、进一步的，pcs设备转速为3000～4000r/mim，处理时间为5～20min；

19、优选的，pcs设备中保护气体包括但不限于氩气、氮气；优选为氩气。

20、优选的，行星式球磨过程中保护气体包括但不限于氩气、氮气、氢气。

21、进一步的，所述钛粉包括但不限于氢化脱氢钛粉、雾化钛粉；所述钛合金粉末包括但不限于ti-6al-4v合金粉末、ta15合金粉末、tc11合金粉末；

22、优选的，所述基体粉末的粒度为1～100μm；

23、优选的，所述基体粉末的粒度为15～60μm。

24、进一步的，所述增强相颗粒包括但不限于tib2、tib、tic、cabx、sic、碳纳米管；其中，cabx包括cab1.5、cab2、cab6；

25、优选的，所述增强相颗粒的粒度小于所述基体粉末的粒度，所述增强相颗粒的粒度为0.2～30μm；

26、优选的，所述增强相颗粒的粒度为0.2～15μm。

27、为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种钛基复合材料粉末。

28、如上所述的制备方法制得的钛基复合材料粉末，所述钛基复合材料粉末包括基体粉末以及包裹在其表面的增强相颗粒；其中，所述基体粉末为钛或钛合金粉末；所述增强相颗粒包括但不限于tib2、tib、tic、cabx、sic、碳纳米管；其中，cabx包括cab1.5、cab2、cab6；

29、优选的，所述钛基复合材料粉末包括但不限于ti/tibx、ti/tic、ti/cabx复合材料粉末；其中，ti/tibx包括ti/tib、ti/tib2；ti/cabx包括ti/cab1.5、ti/cab2、ti/cab6。

30、为了实现上述目的，根据本发明的第三方面，提供了一种钛基复合材料制件的制备方法。

31、该钛基复合材料制件的制备方法包括以下步骤：

32、采用上述的制备方法制得钛基复合材料粉末；

33、将所述钛基复合材料粉末放入选择性激光熔化设备中，进行打印，获得钛基复合材料制件；其中，激光功率为75～350w，扫描速度为200～1500mm/s，扫描间距为0.05～0.15mm，保护气体包括但不限于氩气、氮气；

34、对所述钛基复合材料制件进行真空热处理；其中，温度为200～1300℃，时间为0.2～60h。

35、进一步的，激光功率为125～225w，扫描速度为900～mm/s，扫描间距为0.10～0.14mm，体能量密度为60～80j/mm3，保护气体为氩气；

36、优选的，热处理温度为500～850℃，时间为1.5～6h。

37、为了实现上述目的，根据本发明的第四方面，提供了一种钛基复合材料制件。

38、如上所述的制备方法制得的钛基复合材料制件，所述钛基复合材料制件包括但不限于ti/tibx、ti/tic、ti/cabx复合材料制件；其中，ti/tibx包括ti/tib、ti/tib2；ti/cabx包括ti/cab1.5、ti/cab2、ti/cab6。

39、本发明的有益效果：

40、1、本发明提供的制备方法制得的钛基复合材料粉末流动性好，增强相颗粒与基体粉末间具备冶金结合，能够很好的适应钛基复合材料增材制造技术。同时，制备钛基复合材料粉末的原料范围广泛，可以选择多种钛合金粉末作为基体粉末以及不同种类、加大范围添加量的增强相颗粒。

41、2、本发明提供的钛基复合材料粉末制备方法中所使用的原料可以选择氢化脱氢钛粉，同时选择原料粉末与增强相颗粒混合方式，相比传统雾化法制备钛基复合材料粉末成本可以降低50％以上，并且本发明中的制备方法具有较高的生产效率，可达到年产量72吨，传统雾化制粉方案单台设备年产量仅为25吨。

42、3、本发明所提供的钛基复合材料粉末由于增强相颗粒与基体粉末实现冶金结合，在增材制造过程中可以避免因二者结合不牢固而发生的开裂现象。同时，本发明针对所制备钛基复合材料粉末设计了相适配的增材制造工艺，所制备的增材制造制件力学性能优异，致密度可达到99％以上。