选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法

1.本发明属于金属选区激光熔融技术领域，具体涉及一种选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法。


背景技术：

2.钛及钛合金具有无磁性、高强度、低密度及耐腐蚀等特点，在航空航天、生物医学等领域得到了广泛应用，其中ti6al4v合金的应用最为广泛。然而，致密ti6al4v合金结构件存在材料冗余导致其轻量化效率低下的问题。从宏观孔结构对其调ti6al4v合金制造工艺，如粉末冶金法、料浆发泡法等，由于仅可制备出随机生成的孔隙，因此孔形态大多不规则，导致抗压强度难以控制。
3.选区激光熔融技术以数字化模型为基础，基于离散-堆积原理，以高能量的激光作为热源对逐层铺展的粉末材料进行扫描、熔凝，最终得到所需的三维模型。选区激光熔融技术能够高精度自由成型多孔结构，并且可通过对支杆直径、支杆数量等孔参量进行设计来改变多孔结构的抗压强度，因此近年来广泛受到学者们的关注。然而多孔结构会大幅降低ti6al4v合金的抗压强度，因此可能导致在应用时不能满足抗压强度需求。
4.研究表明微量硼的加入可增大形核率、抑制晶粒长大从而有效提高ti6al4v合金的抗压强度。但单纯通过硼含量对合金的抗压强度进行调控时，仅能获得较为少数的调控点，且调控范围狭小，难以满足ti6al4v合金在不同应用背景下范围广阔、多种多样的抗压强度需求。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，旨在解决仅通过孔参量或硼含量对合金的抗压强度进行调控时，调控范围狭小、可控性差的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，所述方法包括：
7.建立多孔结构孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系；
8.建立硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系；
9.将孔参量、硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系带入gibson-ashby经验公式，建立ti6al4v合金抗压强度的结构-成分复合调控模型。
10.在一种可能的实现方式中，所述建立多孔结构孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系，包括：
11.采用slm技术成型多孔ti6al4v合金压缩试件；
12.通过压缩实验对多孔ti6al4v合金压缩试件的抗压强度进行测试；
13.将测得多孔ti6al4v合金压缩试件的抗压强度代入gibson-ashby经验公式(1)；
14.求解与孔参量相关的参数c、n；
15.对内支杆数量为0～12时的参数c、n进行求解，并将12种内支杆直径下的c、n值进行联立，得到c(l)、n(l)，如公式(2)、公式(3)所示；
16.将c(l)、n(l)代入gibson-ashby经验公式(1)，建立孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系，如公式(4)所示；
[0017][0018]
c(l)＝3.796
×
10-4q2-1.738
×
10-2
q+4.483
×
10-1
ꢀꢀ
(2)
[0019]
n(l)＝-1.057
×
10-3
q3+2.304
×
10-2q2-9.181
×
10-1
q+3.752(3)
[0020][0021]
式中，σ、σs、ρ、ρs分别为多孔材料与致密材料的强度、相对密度；
[0022]
c、n均为与多孔结构孔参量相关的常数；
[0023]
q为内支杆数量。
[0024]
在一种可能的实现方式中，所述建立硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系，包括：
[0025]
采用slm技术成型不同硼含量的ti6al4v合金，通过拉伸实验对其抗拉强度、延伸率进行测试，测得其抗拉强度、延伸率均随硼含量的增加呈先增后降趋势，并且在硼含量为0.05wt％时均达到峰值；
[0026]
将0wt％～0.05wt％范围内硼含量ti6al4v合金的抗拉强度代入gibson-ashby经验公式(1)；
[0027]
获得0wt％～0.05wt％范围内硼含量与ti6al4v合金抗拉强度间的解析关系，如公式(5)所示；
[0028]
σm＝-104600t2+11630t+985
ꢀꢀ
(5)
[0029]
式中σm、t分别为含硼ti6al4v合金抗拉强度、含硼质量分数。
[0030]
在一种可能的实现方式中，所述将孔参量、硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系带入gibson-ashby经验公式，建立的ti6al4v合金抗压强度的结构-成分复合调控模型，如公式(6)所示；
[0031][0032]
式中σc为ti6al4v合金复合调控模型的抗压强度。
[0033]
在一种可能的实现方式中，获得复合调控模型的抗压强度，其调控范围在19.46mpa～416.47mpa之间。
[0034]
在一种可能的实现方式中，多孔ti6al4v合金压缩试件的支杆直径分别为125μm、200μm，内支杆数量分别为0、12，硼含量分别为0wt％、0.05wt％时，复合调控模型分别具有最小值和最大值。
[0035]
在一种可能的实现方式中，测得多孔ti6al4v合金压缩试件的抗压强度范围为
18.51mpa～295.72mpa，并且该抗压强度随着内支杆数量和内支杆直径的增加而增加。
[0036]
在一种可能的实现方式中，所述多孔ti6al4v合金压缩试件包括外部框架和内支杆，所述外部框架为正方体状，所述内支杆数量为0～12，其两端搭载在所述外部框架两相邻面对角线的交叉处。
[0037]
在一种可能的实现方式中，所述外部框架的边长为1～2mm，其6个正方形面的对角线为半圆柱形支杆。
[0038]
在一种可能的实现方式中，所述内支杆的直径和所述半圆柱形支杆的直径均为125μm～200μm。
[0039]
本发明提供的选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，与现有技术相比，有益效果在于：在gibson-ashby经验公式的基础上，将结构调控(孔参量)、成分调控(硼含量)两种方法相结合对ti6al4v合金的抗压强度进行复合调控，有效增加了ti6al4v合金抗压强度的调控范围，可提高材料的可控性，使其能够更好地应用于工业、医疗等领域。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的多孔ti6al4v合金压缩试件的外部框架示意图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的多孔ti6al4v合金压缩试件的内支杆连接方式示意图；
[0043]
图4为图3所示的多孔ti6al4v合金压缩试件的内支杆的结构示意图；
[0044]
图5为本发明实施例所采用的多孔ti6al4v合金压缩试件与抗压强度的关系云图；
[0045]
图6为本发明实施例提供的硼含量与ti6al4v合金抗拉强度关系曲线图；
[0046]
图7为本发明实施例提供的硼含量与ti6al4v合金延伸率关系曲线图；
[0047]
附图标记说明：
[0048]
1、内支杆；2、外部框架。
具体实施方式
[0049]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0050]
如图1所示，本发明公开了一种选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，包括如下步骤：
[0051]
s1：建立多孔结构孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系；
[0052]
s2：建立硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系；
[0053]
s3：将孔参量、硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系带入gibson-ashby经验公式，建立ti6al4v合金抗压强度的结构-成分复合调控模型。
[0054]
本发明提供的选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，与现有技术相比，有益效果在于：在gibson-ashby经验公式的基础上，将结构调控(孔参量)、成分调控(硼含量)两种方法相结合对ti6al4v合金的抗压强度进行复合调控，有效增加了
ti6al4v合金抗压强度的调控范围，可提高材料的可控性，使其能够更好地应用于工业、医疗等领域。
[0055]
s2：对合金成分进行设计，采用slm技术(选区激光熔融)成型含硼ti6al4v合金拉伸试件并进行拉伸实验，建立硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系。
[0056]
s3：将孔参量、硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系带入gibson-ashby经验公式，建立ti6al4v合金抗压强度的结构-成分复合调控模型。
[0057]
进一步的，在步骤s1中，对多孔结构进行设计，采用slm技术(选区激光熔融技术)成型多孔ti6al4v合金压缩试件并进行压缩实验，对与孔参量相关的参数c、n进行求解，建立多孔结构孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系。
[0058]
具体地，使用ug软件对多孔结构(ti6al4v合金压缩试件)的孔参量进行设计，以获得不同抗压强度的多孔结构。多孔结构的孔参量对其抗压强度有着直接的影响，通过改变其内支杆数、内支杆直径能够使其相对密度繁盛变化，因此其抗压强度也将发生变化。在钛合金的实际应用中，不同的工作环境对其所受载荷的大小不同，在载荷较大的场合其强度应较高以避免发生变形破坏，在载荷较小时可在保证强度的前提下，通过减小内支杆数和内支杆直径，以减少材料的浪费，并对结构减重。因此需对其孔参量进行设计，使多孔ti6al4v合金的抗压强度范围能够尽可能地满足不同场合的应用需求。
[0059]
多孔ti6al4v合金压缩试件由外部框架2和内支杆1组合而成，外部框架2呈正方体状，边长为1mm，其6个正方形面的对角线处由半圆柱形支杆构成；内部结构设计为内支杆1，内支杆1两端搭载在外部框架两相邻面对角线的交叉处。多孔结构的外部框架2参阅图2，内支杆1参阅图4，内支杆1的连接方式参阅图3。
[0060]
设计多孔结构的内支杆数在0～12之间，多孔结构的支杆直径(外部框架支杆的直径与内支杆直径相同)分别为125μm、150μm、175μm、200μm。采用选区激光熔融技术成型多孔ti6al4v合金压缩试件，选区激光熔融成型的工艺参数为激光功率200w、扫描速度1000mm/s、扫描间距67.5μm、铺粉层厚30μm。通过压缩实验对孔ti6al4v合金压缩试件的抗压强度进行测试，测得不同孔参量多孔ti6al4v合金的抗压强度在18.51mpa～295.72mpa之间，并且其抗压强度随着内支杆数、支杆直径的增加而增加。孔参量与抗压强度之间的关系云图参阅图5。
[0061]
gibson-ashby经验公式常被用于表征多孔结构的抗压强度。在gibson-ashby经验公式的基础上建立多孔结构孔参量与ti6al4v合金抗压强度的解析关系。gibson-ashby经验公式的表达式如式(1)所示。
[0062][0063]
式中σ、σs、ρ、ρs分别为多孔材料与致密材料的强度、相对密度；c、n均为与多孔结构孔参量相关的常数。
[0064]
将测得多孔ti6al4v合金的抗压强度代入式(1)，对内支杆数为0～12时的参数c、n进行求解，并将12种内支杆直径下的c、n值进行联立，得到c(l)、n(l)，如式(2)、式(3)所示。
[0065]
c(l)＝3.796
×
10-4q2-1.738
×
10-2
q+4.483
×
10-1
ꢀꢀ
(2)
[0066]
n(l)＝-1.057
×
10-3
q3+2.304
×
10-2q2-9.181
×
10-1
q+3.752
ꢀꢀ
(3)
[0067]
式中q为内支杆数。
[0068]
将c(l)、n(l)代入gibson-ashby经验公式，建立孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系见式(4)。
[0069][0070]
进一步的，在步骤s2中，对ti6al4v合金的合金成分进行设计。微量硼的加入可增大形核率、抑制晶粒长大从而有效改善ti6al4v合金的抗压强度。因此设计硼含量为twt％，其中t为0、0.025、0.05、0.075、0.1，采用slm技术成型不同硼含量的ti6al4v合金，通过拉伸实验对其抗拉强度、延伸率进行测试，测得其抗拉强度、延伸率均随硼含量的增加呈先增后降趋势，并且在硼含量为0.05wt％时均达到峰值，分别为1353mpa、7.6％。硼含量与抗拉强度之间的关系曲线参阅图6，硼含量与延伸率之间的关系曲线参阅图7。
[0071]
硼含量选区激光熔融成型的工艺参数与孔参量相同，选区激光熔融成型的工艺参数为激光功率200w、扫描速度1000mm/s、扫描间距67.5μm、铺粉层厚度30μm。
[0072]
由于当硼含量为0.05wt％时，ti6al4v合金的抗拉强度、延伸率均达到峰值，因此将0wt％～0.05wt％范围内硼含量ti6al4v合金的抗拉强度代入式(1)，建立在该范围内硼含量与ti6al4v合金抗拉强度间的解析关系见式(5)。
[0073]
σm＝-104600t2+11630t+985
ꢀꢀ
(5)
[0074]
式中σm、t分别为含硼ti6al4v合金抗拉强度、含硼质量分数。
[0075]
进一步的，在步骤s3中，将孔参量、硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系代入gibson-ashby经验公式，得到可对合金抗压强度进行复合调控的模型，如公式(6)。
[0076][0077]
通过对复合调控模型进行计算，当多孔ti6al4v合金的各支杆直径分别为125μm、200μm，内支杆数分别为0、12，硼含量分别为0wt％、0.05wt％时模型分别具有最小值和最大值，其值与仅通过孔参量调控对比如表1所示，可以看出调控范围扩大了45.53％。此外由于可在三种硼含量下进行调控，其能够获得不同抗压强度的调控点数量也为原先的三倍，可更好地适应不同领域中的应用需求。
[0078]
表1
[0079]
方法最小值/mpa最大值/mpa调控范围/mpa孔参量调控19.46292.27272.81复合模型调控19.46416.47397.01
[0080]
本发明提供的选区激光熔融钛合金抗压强度的结构-成分复合调控方法，通过ug软件对多孔结构的孔参量进行设计，设计其外部正方体状框架的边长为1mm，内支杆数在0～12之间，多孔结构的支杆直径分别为125μm、150μm、175μm、200μm进行测试。
[0081]
采用选区激光熔融技术成型多孔ti6al4v合金压缩试件并进行压缩实验，得到其抗压强度在18.51mpa～295.72mpa之间，并且抗压强度随着内支杆数、支杆直径的增加而增
加。根据拉伸实验结果对与孔参量相关的参数c、n进行求解，并建立孔参量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系。
[0082]
通过对ti6al4v合金的硼含量twt％进行设计，t为0、0.025、0.05、0.075、0.1。采用选区激光熔融技术成型拉伸试件并进行拉伸实验，得到其抗拉强度、延伸率均随硼含量的增加呈先增后降趋势，并且在硼含量为0.05wt％时均达到峰值，分别为1353mpa、7.6％。
[0083]
根据拉伸实验结果建立0～0.05wt％硼含量与ti6al4v合金抗压强度之间的解析关系。最后将孔参量、硼含量的解析关系代入gibson-ashby经验公式获得抗压强度的复合调控模型，其调控范围在19.46mpa～416.47mpa之间，并且由于可在三种硼含量(t为0、0.025、0.05)下进行调控，其能够获得不同抗压强度的调控点数量也为原先的三倍。因此扩大了对ti6al4v合金抗压强度的调控范围，增加了抗压强度调控点的数量，可使ti6al4v合金更好地适应不同领域中的应用需求。
[0084]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0085]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。