一种具有致密层的钛合金产品及其生产方法与流程

1.本发明涉及金属制品技术领域，具体涉及一种具有致密层的钛合金产品及其生产方法。


背景技术：

2.近年来，智能设备发展迅速，更新换代很快，尤其是进入5g时代，电子设备越来越受到人们的喜爱。而钛及钛合金以其轻质地、高强度、耐腐蚀、防过敏等性能受到智能行业的青睐。钛和钛合金化学活性大，容易与间隙元素(c，o，n)结合，产生化合物，导致冷硬脆。同时钛切削时比热容大易积热、不易导热，切削时积热使得刀刃软化。因此，钛的切削难度比不锈钢更高，仅次于液态金属，因此使用cnc加工，由于钛合金本身的性能，导致加工过程困难。同时由于产品表面r角和螺纹柱的存在，很难一次成形，同时会造成材料浪费，增加时间和原材成本。
3.而金属注射成形工艺可以很好地解决钛加工难的问题。金属注射成形(mim)是近年来国际上迅速发展的一项新的近净成形技术，其优势在于能够成形复杂形状的较小金属零部件，且制品各部位密度均匀，机械性能优异。尽管金属注射成形(mim)制得产品的密度相当高，但仍有1～5vol％的孔隙，制约产品在高亮抛光产品方面的应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，其主要解决的是现有通过金属注射成形工艺制得的金属制品难以形成致密的表面的技术问题。运用本发明所述方法获得的钛合金产品表面孔隙率低于1～5vol％，在经过抛光处理后可以形成高亮抛光产品。
5.为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，包括以下步骤：s1，以钛合金粉末及粘结剂制备喂料，并通过金属注射成形工艺制备得到钛合金基底；s2，以钛合金粉末为致密层原料，通过金属3d打印工艺在钛合金基底的表面形成一层致密层，从而制得具有致密层的钛合金产品。
6.本发明中，通过s1步骤由金属注射成形工艺所制备的钛合金基底其密度尽管相当高，但是仍然有着1～5vol％的孔隙，因此，在s2步骤中，通过在s1制得的钛合金基底上通过金属3d打印工艺嫁接一层具有高致密性、良好的尺寸精度及表面粗糙度的钛合金致密层，该钛合金致密层相比于现有的金属注射成形工艺所制备的钛合金基底，其致密度几乎达到100％。进而使得该嫁接于钛合金基底上的钛合金致密层可以应用于制造高亮抛光产品方面。
7.进一步，s2之后，还包括s3，对形成在钛合金基底上的致密层进行镜面抛光处理得到具有高亮抛光面的钛合金产品。
8.进一步，s1中，钛合金基底的制备方法具体包括如下步骤：s11，喂料制备：将钛合金粉末预热至预定温度，然后将粘结剂与已到达预定温度的钛合金粉末混合后送入混炼机中混炼，使钛合金粉末与粘结剂预结成泥团状物料，而后将泥团状物料送入挤出机，塑化后挤出，并进行造粒，制得待注射成形的喂料；s12，注塑成形：喂料在120～150℃的温度下进行注射成形得到生胚；s13，脱脂烧结：将注射成形得到的生胚放入草酸脱脂炉中进行脱脂处理，而后在真空金属炉中进行真空烧结处理制得钛合金基底；优选地，s11中，钛合金粉末的预热以及粘结剂与预热后的钛合金粉末的混合均在真空条件下进行；优选地，s11中，钛合金粉末的预热以及粘结剂与预热后的钛合金粉末的混合均在真空度为10-500pa的真空条件下进行；优选地，混炼机的工作条件为：混炼机转速为15～35r/min，搅拌时间为40～70min。
9.进一步，s11中，在真空条件下，将钛合金粉末预热到120
±
10℃；优选地，钛合金粉末为tc4钛合金粉末；优选地，钛合金粉末的粒径为18～24um。
10.进一步，s13中，脱脂处理过程的进酸量为0.010～0.050ml/min，脱脂温度为120～125℃，脱脂时间为8～24h；优选地，s13中，真空烧结处理过程的烧结温度为1230～1250℃，保温时间为90～120min，保持压力为0.5～4mpa；优选地，s13中，真空烧结处理过程中，使用氧化锆材质的承烧板来放置待烧结的钛合金基底半成品；优选地，为了更好地降低含氧量，使用金属钼材质的双层钼盒作为烧结的防护，在双层钼盒的夹层当中充填海绵钛，并在钼盒内部刷上一层氧化钇涂层，以双钼盒+海绵钛+氧化钇涂层的防护方式进行防护。
11.进一步，s1中，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸1～2.5份、光热稳定剂3～6份、高分子聚合蜡3～7份、高密度聚乙烯5～10份、聚乙烯-乙酸酯1.5～3份、巴西棕榈蜡2～4份及聚甲醛70～85份。
12.本发明中，通过上述特定的喂料结合本发明特有的金属注射成形工艺制备的钛合金基底，可以很好地克服钛合金基底烧结过程中间隙元素对材料性能的影响，有效解决钛合金产品的加工困难、产品冷硬脆等问题。
13.进一步，步骤s2中，致密层的制备方法具体包括如下步骤：s21，在钛合金基底上均匀铺设一层预定厚度的钛合金粉末层；s22，利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使钛合金粉末受热升温融化后又凝固进而形成与钛合金基底结合成为一体的钛合金致密薄层；s23，在钛合金致密薄层上再次铺设一层预定厚度的钛合金粉末层，再次利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使在前一钛合金致密薄层上形成一层新的钛合金致密薄层；s24，重复s23步骤，由多层叠加在一起的钛合金致密薄层形成用于镜面抛光处理
的致密层。
14.进一步，s21或s23或s24中，所铺设的钛合金粉末层的单层厚度为30um；优选地，致密层的整体厚度为0.94
±
0.03mm。
15.进一步，金属3d打印机的输出功率为135w，扫描速度为800mm/s，曝光时间为0.4s。
16.本发明中，选用的3d打印机为苏州徕泽丰材料科技有限公司的金属3d打印机，该型号打印机打印出的成品表面的激光扫描痕迹浅，可以通过后期处理使其更易获得较小的表面粗糙度。工作时，以光斑直径为52um的激光作为能量源，经过一组精密光学镜片的光束调制和高精度扫描振镜的方向控制后，聚焦于成型平台，曝光时间为0.4s，在扫描速度为800mm/s、输出功率为135w的条件下，选择性扫描均匀铺于钛合金基底上的单层厚度为30um的钛合金粉末。钛合金粉末受热升温融化后又快速凝固，被扫描过的区域的钛合金粉末就融化烧结成为一体；而后再次将钛合金粉末均匀铺于已经扫描过的钛合金粉末层之上，再次扫描、融化、凝固，与之前一层结合在一起。不断重复上述过程直至3d打印所形成的致密层的厚度达到预定厚度值停止。则具有能够用于镜面抛光处理以形成高亮抛光面的钛合金致密层就被制造出来了并一体成型嫁接于钛合金基底上。
17.基于同一发明构思，本发明还提供了一种具有致密层的钛合金产品，由以上任一所述的生产方法制得。
18.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
19.本发明所述的具有致密层的钛合金产品及其生产方法中，经过镜面抛光后的致密层表面质地细腻均匀，由于通过金属3d打印工艺打印成型的致密层其致密度可以几乎达到100％，因此，致密层经镜面抛光处理后能够形成高亮抛光面，有效地解决了现有钛合金产品难以应用于生产高亮抛光产品的问题。
附图说明
20.图1是本发明实施例1中具有致密层的钛合金产品其致密层经镜面抛光处理后所形成的抛光效果图。
21.图2是本发明对比例中由金属注射成形工艺制成的钛合金基底表面经镜面抛光处理后所形成的抛光效果图。
具体实施方式
22.本发明中，优选地，s1中，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸1～2.5份、光热稳定剂3～6份、高分子聚合蜡3～7份、高密度聚乙烯5～10份、聚乙烯-乙酸酯1.5～3份、巴西棕榈蜡2～4份及聚甲醛70～85份。
23.本发明中，优选地，s11中，钛合金粉末的预热以及粘结剂与预热后的钛合金粉末的混合均在真空度为10-500pa的真空条件下进行，当钛合金粉末预热到120
±
10℃时，预制的粘结剂再在真空条件下加入到已达预热温度的钛合金粉末中；混炼机的工作条件为：混炼机转速为15～35r/min，搅拌时间为40～70min。
24.本发明中，优选地，s13中，脱脂处理过程的进酸量为0.010～0.050ml/min，脱脂温度为120～125℃，脱脂时间为8～24h；且s13中，真空烧结处理过程的烧结温度为1230～1250℃，保温时间为90～120min，保持压力为0.5～4mpa。
25.本发明中，通过上述特有的粘结剂配方以及特定的金属注射成形工艺所制备的钛合金基底，再通过使用金属钼材质的双层钼盒作为烧结的防护，在双层钼盒的夹层当中充填海绵钛，并在钼盒内部刷上一层氧化钇涂层。以双钼盒+海绵钛+氧化钇涂层的防护方式进行防护，可以克服钛合金产品烧结过程中氧、氮等间隙元素渗入材料内部，导致材料力学性能变差的影响，进而有效解决钛合金产品冷硬脆的缺陷。
26.本发明中，优选地，步骤s2中，所铺设的钛合金粉末层的单层厚度为30um；金属3d打印机的输出功率为135w，扫描速度为800mm/s，曝光时间为0.4s；并且，步骤s2中，由金属3d打印机打印成型的致密层的整体厚度被配置为0.94
±
0.03mm，优选为0.942mm。
27.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
28.实施例1
29.本实施例提供一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，包括以下步骤：s1，以钛合金粉末及粘结剂制备喂料，并通过金属注射成形工艺制备得到钛合金基底；s2，以钛合金粉末为致密层原料，通过金属3d打印工艺在钛合金基底的表面形成一层致密层，从而制得具有致密层的钛合金产品。
30.具体地，s1中，钛合金基底的制备方法具体包括如下步骤：s11，喂料制备：本实施例中，钛合金粉末选用粒径为20um的tc4钛合金粉末，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸2份、光热稳定剂3份、高分子聚合蜡3份、高密度聚乙烯5份、聚乙烯-乙酸酯3份、巴西棕榈蜡4份及聚甲醛85份。在真空度为200pa的真空条件下，将钛合金粉末预热至预定温度120
±
10℃，然后将粘结剂与已到达预定温度的钛合金粉末混合后送入混炼机中混炼，使钛合金粉末与粘结剂预结成泥团状物料，而后将泥团状物料送入挤出机，塑化后挤出，并进行造粒，制得待注射成形的喂料；s12，注塑成型：喂料在130℃的温度下进行注射成形得到生胚；s13，脱脂烧结：将注射成形得到的生胚放入草酸脱脂炉中进行脱脂处理，而后在真空金属炉中进行真空烧结处理制得钛合金基底。
31.步骤s2中，致密层的制备方法具体包括如下步骤：s21，在钛合金基底上均匀铺设一层预定厚度的钛合金粉末层；s22，利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使钛合金粉末受热升温融化后又快速凝固进而形成与钛合金基底结合成为一体的钛合金致密薄层；s23，在钛合金致密薄层上再次铺设一层预定厚度的钛合金粉末层，再次利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使在前一钛合金致密薄层上形成一层新的钛合金致密薄层；s24，重复s23步骤，由多层叠加在一起的钛合金致密薄层形成用于镜面抛光处理的致密层。
32.s2之后，还包括s3，对形成在钛合金基底上的致密层进行镜面抛光处理得到具有高亮抛光面的钛合金产品。如附图1所示，为嫁接于钛合金基底上的致密层经镜面抛光处理后所形成的抛光效果图，从附图1中可以看出，镜面抛光后的致密层表面质地细腻均匀，由于通过金属3d打印工艺打印成型的致密层其致密度可以几乎达到100％，因此，致密层经镜面抛光处理后能够形成高亮抛光面，有效地解决了现有钛合金产品难以应用于生产高亮抛
光产品的问题。
33.实施例2
34.本实施例提供一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，包括以下步骤：s1，以钛合金粉末及粘结剂制备喂料，并通过金属注射成形工艺制备得到钛合金基底；s2，以钛合金粉末为致密层原料，通过金属3d打印工艺在钛合金基底的表面形成一层致密层，从而制得具有致密层的钛合金产品。
35.具体地，s1中，钛合金基底的制备方法具体包括如下步骤：s11，喂料制备：本实施例中，钛合金粉末选用粒径为18um的tc4钛合金粉末，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸1份、光热稳定剂4份、高分子聚合蜡4份、高密度聚乙烯10份、聚乙烯-乙酸酯1.5份、巴西棕榈蜡3份及聚甲醛80份。在真空度为200pa的真空条件下，将钛合金粉末预热至预定温度120
±
10℃，然后将粘结剂与已到达预定温度的钛合金粉末混合后送入混炼机中混炼，使钛合金粉末与粘结剂预结成泥团状物料，而后将泥团状物料送入挤出机，塑化后挤出，并进行造粒，制得待注射成形的喂料；s12，注塑成型：喂料在120℃的温度下进行注射成形得到生胚；s13，脱脂烧结：将注射成形得到的生胚放入草酸脱脂炉中进行脱脂处理，而后在真空金属炉中进行真空烧结处理制得钛合金基底。
36.步骤s2中，致密层的制备方法具体包括如下步骤：s21，在钛合金基底上均匀铺设一层预定厚度的钛合金粉末层；s22，利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使钛合金粉末受热升温融化后又快速凝固进而形成与钛合金基底结合成为一体的钛合金致密薄层；s23，在钛合金致密薄层上再次铺设一层预定厚度的钛合金粉末层，再次利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使在前一钛合金致密薄层上形成一层新的钛合金致密薄层；s24，重复s23步骤，由多层叠加在一起的钛合金致密薄层形成用于镜面抛光处理的致密层。
37.s2之后，还包括s3，对形成在钛合金基底上的致密层进行镜面抛光处理得到具有高亮抛光面的钛合金产品。
38.实施例3
39.本实施例提供一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，包括以下步骤：s1，以钛合金粉末及粘结剂制备喂料，并通过金属注射成形工艺制备得到钛合金基底；s2，以钛合金粉末为致密层原料，通过金属3d打印工艺在钛合金基底的表面形成一层致密层，从而制得具有致密层的钛合金产品。
40.具体地，s1中，钛合金基底的制备方法具体包括如下步骤：s11，喂料制备：本实施例中，钛合金粉末选用粒径为22um的tc4钛合金粉末，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸1.5份、光热稳定剂5份、高分子聚合蜡5份、高密度聚乙烯7份、聚乙烯-乙酸酯2份、巴西棕榈蜡2份及聚甲醛70份。在真空度为200pa的真空条件下，将钛合金粉末预热至预定温度120
±
10℃，然后将粘结剂与已到达预定温度的钛合金粉
末混合后送入混炼机中混炼，使钛合金粉末与粘结剂预结成泥团状物料，而后将泥团状物料送入挤出机，塑化后挤出，并进行造粒，制得待注射成形的喂料；s12，注塑成型：喂料在140℃的温度下进行注射成形得到生胚；s13，脱脂烧结：将注射成形得到的生胚放入草酸脱脂炉中进行脱脂处理，而后在真空金属炉中进行真空烧结处理制得钛合金基底。
41.步骤s2中，致密层的制备方法具体包括如下步骤：s21，在钛合金基底上均匀铺设一层预定厚度的钛合金粉末层；s22，利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使钛合金粉末受热升温融化后又快速凝固进而形成与钛合金基底结合成为一体的钛合金致密薄层；s23，在钛合金致密薄层上再次铺设一层预定厚度的钛合金粉末层，再次利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使在前一钛合金致密薄层上形成一层新的钛合金致密薄层；s24，重复s23步骤，由多层叠加在一起的钛合金致密薄层形成用于镜面抛光处理的致密层。
42.s2之后，还包括s3，对形成在钛合金基底上的致密层进行镜面抛光处理得到具有高亮抛光面的钛合金产品。
43.实施例4
44.本实施例提供一种具有致密层的钛合金产品的生产方法，包括以下步骤：s1，以钛合金粉末及粘结剂制备喂料，并通过金属注射成形工艺制备得到钛合金基底；s2，以钛合金粉末为致密层原料，通过金属3d打印工艺在钛合金基底的表面形成一层致密层，从而制得具有致密层的钛合金产品。
45.具体地，s1中，钛合金基底的制备方法具体包括如下步骤：s11，喂料制备：本实施例中，钛合金粉末选用粒径为24um的tc4钛合金粉末，粘结剂按重量份计由以下成分组成：硬脂酸2.5份、光热稳定剂6份、高分子聚合蜡7份、高密度聚乙烯6份、聚乙烯-乙酸酯2.5份、巴西棕榈蜡4份及聚甲醛75份。在真空度为200pa的真空条件下，将钛合金粉末预热至预定温度120
±
10℃，然后将粘结剂与已到达预定温度的钛合金粉末混合后送入混炼机中混炼，使钛合金粉末与粘结剂预结成泥团状物料，而后将泥团状物料送入挤出机，塑化后挤出，并进行造粒，制得待注射成形的喂料；s12，注塑成型：喂料在150℃的温度下进行注射成形得到生胚；s13，脱脂烧结：将注射成形得到的生胚放入草酸脱脂炉中进行脱脂处理，而后在真空金属炉中进行真空烧结处理制得钛合金基底。
46.步骤s2中，致密层的制备方法具体包括如下步骤：s21，在钛合金基底上均匀铺设一层预定厚度的钛合金粉末层；s22，利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使钛合金粉末受热升温融化后又快速凝固进而形成与钛合金基底结合成为一体的钛合金致密薄层；s23，在钛合金致密薄层上再次铺设一层预定厚度的钛合金粉末层，再次利用金属3d打印机选择性扫描钛合金粉末层，使在前一钛合金致密薄层上形成一层新的钛合金致密薄层；
s24，重复s23步骤，由多层叠加在一起的钛合金致密薄层形成用于镜面抛光处理的致密层。
47.s2之后，还包括s3，对形成在钛合金基底上的致密层进行镜面抛光处理得到具有高亮抛光面的钛合金产品。
48.对比例1
49.本对比例1与实施例1的区别在于，在s1步骤之后，未经s2步骤，直接在由s1中的金属注射成形工艺制备得到钛合金基底上进行s3步骤的镜面抛光处理，尽管由金属注射成形工艺制得的钛合金基底其密度已经相当高了，但是仍然有着1～5vol％的孔隙，如附图2所示，当直接对钛合金基底表面进行镜面抛光处理后，其抛光面相对粗糙不平整，细腻均匀程度明显不及实施例中形成于致密层上的抛光面，无法很好地满足高亮抛光产品的抛光效果要求。
50.以上所述，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，因此本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。