《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，這些合金的特點是不具有細胞毒性和彈性模量較低。在醫(yī)療應用中使用第二代鈦合金的因素有很多，特別是應用于植入人體方面。增材制造技術為設計和生產具有復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（L-PBF）制造的零件質量好，高度依賴于所用粉末的特性。市面上的眾多鈦合金中，在實用性、價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制。

波蘭弗羅茨瓦夫理工大學的一項最新研究根據(jù)Ti-13Nb-13Zr的化學成分選擇合適參數(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，應用電極感應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晶粒同質外延生長，導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。這會導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 應用Ti-Nb-Zr粉末為L-PBF原料的工藝比較


表2 利用L-PBF技術對Ti-13Nb-13Zr合金進行工藝優(yōu)化、組織結構、物相和化學成分分析

本文對Ti-13Nb-13Zr合金形態(tài)的三個階段進行了詳細分析：塊狀材料、EIGA生產的粉末和L-PBF制造后。跟蹤由熱L-PBF工藝引起的微觀結構變化，發(fā)現(xiàn)經EIGA后獲得的粉末成分為Ti-15Nb-14Zr，說明由于熱加工過程發(fā)生了化學成分變化。通過薄壁實驗驗證了三個因素（掃描點之間的距離、每個點的曝光時間和激光功率）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內的粉末穩(wěn)定流動性之間的對應關系。在研究中提出的一個重要補充是對工藝窗口的準確定義，本研究有助于提高復雜零件的產品質量和生產可重復性。