《Mater Des》：Ti-13Nb-13Zr合金粉末性能及其增材制造工藝

來源：材料科學(xué)與工程


新一代鈦合金與常規(guī)使用的含鋁和釩的鈦合金相比有很大改進(jìn)，這些合金的特點(diǎn)是不具有細(xì)胞毒性和彈性模量較低。在醫(yī)療應(yīng)用中使用第二代鈦合金的因素有很多，特別是應(yīng)用于植入人體方面。增材制造技術(shù)為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件提供了極大的可能性，這是其他傳統(tǒng)方法無法取代的。采用激光粉末床融合技術(shù)（L-PBF）制造的零件質(zhì)量好，高度依賴于所用粉末的特性。市面上的眾多鈦合金中，在實(shí)用性、價(jià)格和功能方面最有前途的是由ASTM F1713定義的Ti-13Nb-13Zr合金。盡管這種材料被認(rèn)為是一種出色的植入材料，但沒有通過增材制造工藝制備的先例，主要問題仍然是L-PBF技術(shù)的工藝優(yōu)化�，F(xiàn)有研究不足以完全理解在加工過程中和處理后影響材料特性的機(jī)制。

波蘭弗羅茨瓦夫理工大學(xué)的一項(xiàng)最新研究根據(jù)Ti-13Nb-13Zr的化學(xué)成分選擇合適參數(shù)以及明確加工粉末的工藝窗口，從而制備出致密度更高的試樣。相關(guān)論文以題為“Investigation of Ti-13Nb-13Zr alloy powder properties and development of the L-PBF process”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110546

本研究原料為直接采購的直徑40mm鈦棒，為了獲得L-PBF粉末，應(yīng)用電極感應(yīng)熔化惰性氣體霧化制備成粉末，粉末尺寸為20-45µm。

研究發(fā)現(xiàn)，L-PBF使β晶粒同質(zhì)外延生長，導(dǎo)致整體分層逐漸凝固，這種現(xiàn)象在ZX和YZ截面上尤其明顯。這會(huì)導(dǎo)致晶粒在熱梯度方向（沿Z軸）上伸長。原始材料（稱為BULK）包含α和β-Ti相。在EIGA工藝后的粉末中，只有α相。在L-PBF處理后的材料中，與BULK狀態(tài)相反，沒有觀察到β相，但觀察到了ω相。

圖1 L-PBF處理后Ti-13Nb-13Zr合金XY、YZ和ZX面顯微組織圖


圖2 不同參數(shù)樣品的相對密度范圍


圖3 Ti-13Nb-13Zr材料的相組成，比較L-PBF工藝后材料、粉末和塊狀成分的變化

表1 應(yīng)用Ti-Nb-Zr粉末為L-PBF原料的工藝比較


表2 利用L-PBF技術(shù)對Ti-13Nb-13Zr合金進(jìn)行工藝優(yōu)化、組織結(jié)構(gòu)、物相和化學(xué)成分分析

本文對Ti-13Nb-13Zr合金形態(tài)的三個(gè)階段進(jìn)行了詳細(xì)分析：塊狀材料、EIGA生產(chǎn)的粉末和L-PBF制造后。跟蹤由熱L-PBF工藝引起的微觀結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)EIGA后獲得的粉末成分為Ti-15Nb-14Zr，說明由于熱加工過程發(fā)生了化學(xué)成分變化。通過薄壁實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三個(gè)因素（掃描點(diǎn)之間的距離、每個(gè)點(diǎn)的曝光時(shí)間和激光功率）對零件的影響。提出了L-PBF參數(shù)中最佳速度與粒徑在5-20µm內(nèi)的粉末穩(wěn)定流動(dòng)性之間的對應(yīng)關(guān)系。在研究中提出的一個(gè)重要補(bǔ)充是對工藝窗口的準(zhǔn)確定義，本研究有助于提高復(fù)雜零件的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)可重復(fù)性。