基于选区激光熔化的钛基复合材料性能研究

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钛合金具有较高的比强度,优异的耐腐蚀性能以及良好的生物相容性,因此在生物医疗领域具有广泛的应用前景,但是在应用过程中发现其显微硬度和摩擦磨损性能仍存在不足,本文以TiB2/Ti6Al4V为原位化学反应体系,通过选区激光熔化技术制备TiB/Ti6Al4V复合材料成形件,研究了工艺参数以及增强相添加量对成形件的成形质量,力学性能以及微观结构的影响,最后利用优化的工艺参数和TiB2添加量制备牙冠零件。主要开展的研究内容如下:首先,以Ti6Al4V+3wt.%TiB2复合粉末为原料,制备TiB/Ti6Al4V晶须增强复合材料,系统地研究了能量密度对TiB/Ti6Al4V成形件的成形质量,微观结构演变以及力学性能的影响,讨论TiB晶须形成、调控及其强化机理。结果表明,在SLM过程中,调节能量密度能有效抑制TiB/Ti6Al4V成形件裂纹产生。添加的TiB2在成形过程中作为形核中心使晶粒显著细化,并与Ti元素反应,在晶界处生成针状的TiB网状结构,形成晶须增强,同时TiB也起到了弥散强化的作用,TiB/Ti6Al4V相较于Ti6Al4V,显微硬度从336.80±6.64 HV达到430.60±11.45HV,提升了27.85%,成形件磨损体积从2.27×10-3 mm~3下降至0.85×10-3 mm~3,下降了62.64%进一步地,通过选区激光熔化技术原位制备不同TiB2添加量(0wt.%,1wt.%,3wt.%,5wt.%)的TiB/Ti6Al4V复合材料,研究了添加量对成形件的成形质量、微观结构演变和力学性能。研究发现,添加1wt.%TiB2时,成形件微观结构中的α’-Ti逐渐消失,并出现针状TiB;TiB2进一步增加,晶界处生长的TiB连续性增强,形成网状结构。TiB2的加入使成形件的显微硬度从336.80±6.64 HV最高提升至498.07±12.56 HV,同时添加量为1wt.%和3wt.%TiB2的成形件摩擦深度较小以及变化趋势稳定。最后,基于前期研究,以TiB2添加量为1wt.%的复合粉末作为原材料,采用优化工艺参数(激光功率为295 W,扫描速度500 mm/s)制备牙冠。与Ti6Al4V成形件进行相比,此时制备的TiB/Ti6Al4V成形件强度显著提升,韧性略微下降。同时添加TiB2促进了成形件表面钝化膜的产生,使成形件耐腐蚀性能提升。
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