摘要
钛及钛合金因其优异的性能被广泛使用。3D打印是依靠高能量密度的能量束将金属粉末等原材料通过逐点熔化、逐层搭接来制备产品的一种新兴技术，可有效解决钛合金高熔点、高熔融态活性、难加工等问题。近年来，钛及钛合金器件的3D打印制备在生物医疗、航空航天等领域受到广泛关注。 针对SLM制备钛及钛合金工件存在的晶粒粗大问题，本文探究了铜掺杂实现SLM纯钛晶粒细化的可行性。重点研究了在纯钛表面实现化学镀铜的前处理与制备工艺，并对钛铜复合粉末成形性能和晶粒细化可行性进行了初步的探索，结论如下： (1)使用次亚磷酸钠体系化学镀铜方法可成功制备出包覆均匀、镀层完整、纯净度高的铜包覆钛铜复合粉末。在纯钛粉表面化学镀铜，铜镀层质量主要由稳定剂、装载量、pH值和温度等参数控制。实验获得的优化镀铜主要工艺参数为：硫酸铜为6g/L，次亚磷酸钠为30g/L、柠檬酸钠为10g/L、硼酸为30g/L，硫酸镍为0.5g/L，稳定剂5mg/L，装载量为12g/100ml，适宜温度为60℃，pH值为11。 (2)研究发现，铜镀层在纯钛粉表面生长过程如下：在初始阶段，微量铜颗粒沉积在表面的凹槽处，随后沉积颗粒越来越多，先沉积颗粒形核长大，彼此推叠形成铜胞；随着反应的进行，此过程不断重复，铜胞逐渐增多并融合形成完整、致密、均匀的铜镀层。 (3)钛铜单道成形层的宽度与高度主要由激光功率和扫描速度决定。当激光功率P=100W时，单道成形层的宽度随着扫描速度V的增加由700μm减少至575μm，高度由350μm减小至220μm。当扫描速度V=6mm/s时，单道成形层的宽度随激光功率的增加由600μm增大至800μm，高度随激光功率的增大略微有降低。 (4)研究发现，铜镀层不但有效实现了SLM成形层的晶粒细化，还会影响其微观组织结构。在SLM工艺参数相同的条件下，纯钛SLM成形层中晶粒尺寸约为50μm，晶内存在大量的针状马氏体；钛铜复合SLM成形层内晶粒尺寸约为20μm，其内部组织为呈网篮编织状互相交错的马氏体相以及均匀分布在组织中的针状第二相Ti2Cu沉淀，晶粒尺寸得到明显细化。 (5)通过物相分析发现钛铜复合成形试样的物相主要是α-Ti和Ti2Cu相。与纯钛成形试样、轧制退火态纯钛基板相比，利用钛铜复合粉末制备的SLM成形层平均硬度分别提高了49%和179%，达到555.12HV0.2。
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