阅读说明：本技术 一种采用电脉冲处理3d打印件的方法 (A method of using Electric Pulse Treatment 3D printing part ) 是由 周乐君 王万林 吴厚发 罗豪 颜雄 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：一种采用电脉冲处理钛合金3D打印件的方法。本发明公开了一种采用电脉冲处理钛合金3D打印件的方法。本发明所述处理钛合金3D打印件缺陷的电脉冲,其特征在于有效电流密度：15-30A/mm<Sup>2</Sup>,脉冲频率：250-350Hz,脉宽：76-83μS,处理及保温时间：10-30min。本发明所采用的电脉冲处理钛合金3D打印件缺陷的方法,利用电脉冲对材料的高能率加热作用,“电致塑性”作用以及再结晶作用,减少钛合金3D打印件中的孔隙、孔洞等缺陷,改善组织,提高钛合金3D打印件的综合性能。(A method of using Electric Pulse Treatment titanium alloy 3D printing part.The invention discloses a kind of methods using Electric Pulse Treatment titanium alloy 3D printing part.The electric pulse of processing titanium alloy 3D printing part defect of the present invention, it is characterised in that effective current density: 15-30A/mm 2 , pulse frequency: 250-350Hz, pulsewidth: 76-83 μ S, processing and soaking time: 10-30min.The method of Electric Pulse Treatment titanium alloy 3D printing part defect of the present invention, using electric pulse to the high-duty heat effect of material, " Electroplastic " effect and recrystallization, reduce titanium alloy 3D printing part in hole, hole the defects of, improve tissue, improves the comprehensive performance of titanium alloy 3D printing part.)

一种采用电脉冲处理3D打印件的方法

技术领域

本发明涉及一种采用电脉冲处理钛合金3D打印件的方法；属于增材制造领域。

背景技术

由于钛合金具有高的比强度、优异的耐蚀性以及良好的中温强度和低温韧性等优点，广泛的用于航空航天以及医疗器械领域。但钛合金零件成形复杂、结构时材料利用率低、周期长、制造本高，对钛合金在航空航天和医疗器械领域的应用形成了一定的制约。而3D打印具有的加工精度高，加工周期短，个性化生产，加工成本低、高柔性、高集成化，打印能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具快速成型等优点能够有效的弥补这一缺点。

与其他钛合金的制作方法相比，钛合金3D打印应用范围广，具有突出的优异性。但同时也存在着一些问题：由于3D打印分层打印，层层叠加的加工原理以及钛合金粉末快速融化凝固及粉末材料内部缺陷等一系列原因，钛合金内部会产生气孔、高密夹杂、未熔合、冷隔缺陷、未熔粉末颗粒等类型的缺陷。这些缺陷使得打印件内应力过大、硬度不够以及塑性降低，如何进行钛合金3D打印的后处理工艺，提高打印件的综合性能极为关键。

激光3D打印钛合金典型组织是由粗大的柱状晶及晶内复杂的亚结构组成，经不同热处理制度处理后组织会呈现出不同的形态。激光3D打印TC4合金的力学性能取决于组织状态，TC4合金的沉积态零部件性能一般情况下达不到锻件的国家标准要求，往往通过热处理工艺，改变其组织状态，进而改变其使用性能。

目前传统的热处理方法是钛合金3D打印件最主要的后处理方法，包括固溶时效热处理和退火热处理。题为《固溶时效处理对激光3D打印TC4组织与性能的影响》的论文制备的沉积态TC4合金3D打印件，抗拉强度为1030MPa屈服强度为953Mpa，伸长率为7.0％，不满足国家标准要求(σb≥895MPa、σ0.2≥828MPa、δ≥10％)。在进行950℃/1h/WQ+540℃/4h/AC固溶时效处理后，初生α相长宽比明显降低，组织中短棒状α相居多，形成明显的网篮组织。打印件的综合力学性能得到提高，室温抗拉强度为990MPa、屈服强度为920MPa、伸长率为11.5％，达到了锻件国标要求。题为《热处理对电子束选区熔化制备的Ti-6Al-4V合金组织与力学性能的影响》的论文制备的TC4合金3D打印件在经过850℃/2h/AC的退火处理后，样品的显微组织较原样变化较小，而片层厚度发生了少量的增长，室温抗拉强度为1000MPa,屈服强度为953MPa，伸长率为10.6％，达到锻件国家标准。

尽管热处理能够提升3D打印件综合性能，使之能满足锻件的国标要求，但是传统的热处理方法存在处理效率极低，处理时间长，无法对零件性能要求不同部位进行不同的热处理，热处理参数无法精确控制，材料内部与表面加热速率不均匀等缺点，故需要一种新的钛合金3D打印件后处理方法，使钛合金3D打印件满足锻件国标要求的同时，解决这些问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：通过电脉冲处理3D打印件(尤其是钛合金)，使3D打印零件在极短时间内满足锻件国标要求，同时解决热处理技术存在的诸多问题。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，其方案为：经3D打印，得到3D打印件后，采用电脉冲处理，得到成品。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法所述3D打印件为钛合金3D打印件；所述钛合金3D打印件通过下述步骤制备：

步骤一钛合金粉末制备，

以钛合金为原料，制备粒度为53-150μm的球形粉末；

步骤二钛合金件3D打印，

以步骤一所得球形粉末为原料，通过3D打印制备钛合金3D打印件。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，当所述3D打印件为钛合金3D打印件时，采用的电脉冲处理参数为：电流密度15-30A/mm²、脉宽76-83μs、脉冲频率250-350Hz。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，当所述3D打印件为钛合金3D打印件时，采用的电脉冲处理参数为：电流密度16-21.5A/mm²、脉宽76-80μs、脉冲频率250-300Hz。

在保证产品有一定强度的条件下，尽可能的提升其延伸率，可采用下述方案：当所述3D打印件为钛合金3D打印件时，采用的电脉冲处理参数为：电流密度21.4-21.5A/mm²、脉宽80μs、脉冲频率300Hz。

在保证产品有一定延伸率的条件下，尽可能的提升其强度，可采用下述方案：当所述3D打印件为钛合金3D打印件时，采用的电脉冲处理参数为：电流密度16.6A/mm²、脉宽76μs、脉冲频率250Hz。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，钛合金件3D打印过程中，激光3D打印选用参数为激光功率2000-2200W、扫描速度400-600mm/s、送粉速度3-7g/min、搭接率49-51％％、送粉气体(Ar)流量13-17L/min、激光光斑直径3-5mm及离焦量+(4-6)mm。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，钛合金3D打印件的电脉冲处理过程中，电脉冲处理及保温时间为10-30min，保温后空冷处理。

通过本发明的工艺，可以制备出缺陷少，组织分布合理，综合性能高的钛合金3D打印件。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，步骤一钛合金粉末制备过程中，对钛合金基材表面打磨，采用化学清洗的方法去除基材表面的氧化膜和油污，然后用丙酮擦洗干净，放入真空干燥箱烘干(200℃、1h)。采用等离子旋转电极(旋转速度≥30000rpm)法制备的球形粉末，粒度为53-150μm。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，步骤二钛合金件3D打印过程中，钛合金3D打印件，由LMD设备制得。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，步骤二钛合金件3D打印过程中，惰性气氛加工室使用99.99％Ar保护气体，控制舱室的水氧含量＜50ppm。

本发明原理为：电脉冲处理是以高能率加热为基础(加热速率约为200～3000℃/s)，电脉冲的热效应作用使得3D打印件(尤其是钛合金3D打印件)在数秒内被加热到极高的温度，能有效地进行零件的穿透加热，改善3D打印件(尤其是钛合金3D打印件)中存在的未熔合、冷隔缺陷、未熔粉末颗粒等缺陷。

对钛合金3D打印件施加脉冲电流可大大降低其流变应力，并能促进原子扩散，引起应力松弛，协调晶界滑动，抑制零件内部空洞的形成和长大，能够改善钛合金3D打印件中存在的孔洞缺陷，提升零件的致密度。

本发明一种采用电脉冲处理3D打印件的方法，定义处理后3D打印件的孔隙率为A、定义处理前3D打印件的孔隙率为B，则[1-(B-A)/B]≥0.45。

脉冲电流处理可使钛合金3D打印件在固态下发生相变或再结晶，导致晶粒细化，从而提高零件的疲劳寿命。且一般认为脉冲电流作用时，脉冲电流对驻留滑移带中位错运动或次滑移系中的位错运动有影响，当电子与零件的内部缺陷相作用，能够提高了滑移带的均匀性，增加材料的疲劳寿命，降低零件的孔隙率。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1.处理效率高。电脉冲进行高能率加热，在数秒内将钛合金3D打印件加热到一个很高的温度，保温时间在10-30min，远低于固溶时效处理与退火热处理所需的时间。

2.能根据零件不同部位的性能要求进行局部处理。控制电脉冲参数以及电脉冲处理的区域，对零件不同区域施加不同的参数的电脉冲，达到零件的性能要求。

3.电脉冲处理能够精确的控制脉冲频率、脉宽、处理时间以及电流密度等参数。

4.电脉冲处理能够同时加热打印件表面与内部，均匀加热。

综上所述，本发明之一种采用电脉冲处理钛合金3D打印件的方法，利用电脉冲对材料的高能率加热作用，“电致塑性”作用以及再结晶作用改善钛合金3D打印件中的孔隙、孔洞等缺陷，提高钛合金3D打印件的综合性能。且弥补了传统热处理的一些缺陷。

具体实施方式

实施例1-3：

分别采用TC4合金、TC11合金、TC18合金通过步骤一与步骤二，制取沉积态钛合金3D打印件，每组合金制备2组试样，测量第一组试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及孔隙率，第二组试样在通过步骤三进行电脉冲处理，选择有效电流密度为21.4A/mm²，脉宽80μs，频率为300Hz，电脉冲处理并保温20min，空冷并测量其抗拉强度、屈服强度、伸长率以及孔隙率，测得的结果如表1所示。

表1.钛合金3D打印件沉积态及第一种电脉冲参数处理后的力学性能

从实施例1、2、3中可以看出，沉积态的钛合金3D打印件的抗拉强度以及屈服强度在经过电脉冲处理之后轻微降低，而伸长率则是显著升高；打印件的平均孔隙率在经过电脉冲处理之后从原来的0.21％左右降低到0.08％，降低了62％。这说明电脉冲处理钛合金3D打印件的方法是可行的，有效果的，能够提高打印件的综合性能。

实施例4-6：

分别采用TC4合金、TC11合金、TC18合金通过步骤一与步骤二，制取沉积态钛合金3D打印件，每组合金制备2组试样，测量第一组试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及孔隙率，第二组试样在通过步骤三进行电脉冲处理，选择有效电流密度为16.6A/mm²，脉宽76μs，频率为250Hz，电脉冲处理并保温10min，空冷并测量其抗拉强度、屈服强度、伸长率以及孔隙率，测得的结果如表2所示。

表2.钛合金3D打印件沉积态及第二种电脉冲参数处理后的力学性能

从实施例4、5、6中可以看到，经过电脉冲处理后的打印件强度略有下降，伸长率有一定程度的提升，平均孔隙率从0.21％降低到0.11％，降低了46％。同时由于电脉冲参数的不同，处理后的打印件强度高于于实施例1、2、3，但伸长率略有不如，对孔隙率的降低作用也大大减弱，但也达到了钛合金锻件的国标要求，能够满足使用要求。

对比例1、2：

将经过950℃/1h/WQ+540℃/4h/AC固溶时效处理、850℃/2h/AC的退火处理的TC4合金3D打印件与经过电脉冲处理的打印件进行对比。其力学性能数据见表3。

表3.TC4合金3D打印件热处理后的力学性能

实验组别	处理方式	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/％	孔隙率/％
						对比例1	固溶时效处理	987	930	12.4	0.30
对比例2	退火处理	961	917	11.9	0.15

从实施例与对比例1、2中可以看出：电脉冲处理之后的打印件抗拉强度与屈服强度和固溶时效处理之后打印件的强度相差不多，高于退火处理的打印件强度，但由于“电致塑性”的原因，伸长率比固溶时效处理和退火处理的打印件要高出许多。固溶时效处理可能是因为充分固溶减少了材料晶格畸变，导致缩孔现象，致使孔隙率增大，达到0.30％，而退火处理将孔隙率从0.20％降低到0.15％，仅降低了25％，改善作用并不明显。所以，采用电脉冲处理钛合金3D打印件的缺陷的方法是完全可行的。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况之下，还可以做出各种变换和变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。