本发明涉及一种钛合金及其增材制备方法，具体涉及一种抗磨损钛合金及其增材制备方法。
背景技术：
1、钛及其合金具有优异的力学性能、较低的杨氏模量以及耐腐蚀性等特性，完全符合生物医疗行业植入材料要求，所以得到了广泛的引用。ti-15mo作为β型钛合金中的一种，其有着近似于人骨的弹性模量，有效避免了“应力屏蔽”，这是其它类型钛合金所不具备的优势。此外，除了其自身优异的力学性能以及耐腐蚀性，ti-15mo合金不具有ti-6al-4v合金含有有毒的钒元素以及会导致阿尔兹海默症的铝元素。因此，ti-15mo合金成为生物医疗植入材料研究的热点。
2、在实际的生物医疗植入物中，特别是承重钛植入体，由于人体内骨质溶解以及无菌性松动导致的较高磨损率，这是限制这类植入物寿命的主要原因。所以，摩擦学以及磨损特性决定了钛植入物的一部分应用能力，特别是在存在磨蚀和侵蚀现象的生物医学领域。因此，开发一种具有高抗磨损性能的钛合金及其增材制备方法在生物医用领域具有重要意义。
3、cn112024870a公开了一种3d打印用smtgh3230球形粉末及其制备方法和应用，旨在解决激光铺粉金属3d打印高温合金时因热应力所导致的开裂问题，是一种降低开裂倾向且适用激光铺粉金属3d打印的金属粉末，有利于提高激光成型组件的致密度，以期带来对力学性能的提升。但是，其并未涉及到具体的增材制备方法以及对成型组件性能的研究展开。
4、cn106148760a公开了一种用于3d打印的医用β钛合金粉体材料及其制备方法，是用电极感应熔炼气雾法制备钛合金粉末材料，所述β钛合金为ti-25nb-10ta-1zr-xr，r的取值范围为0.05～0.1。虽然用该粉末材料打印出来的钛合金具有高强度以及低弹性模量的优点。但是，其中未涉及具体3d打印参数以及该钛合金耐磨性相关的研究叙述。
5、cn116967466a 一种改善3d打印铝合金室温/高温强度和高温持久性能的方法，是通过在合金材料中添加ti等元素，使得3d打印铝合金的室温/高温强度等性能得到提升。但是，其中并未展开对该合金具体的增材制备方法以及耐磨性能的研究叙述。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高耐磨性的抗磨损钛合金。
2、本发明进一步要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种工艺简单，成本低，适宜于工业化生产的抗磨损钛合金的增材制备方法。
3、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种抗磨损钛合金，所述钛合金由ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末的预处理混合粉末制成；所述la2o3粉末的质量分数为0.2～0.8%。若再继续增加la2o3的含量，打印样品的致密度会降低，塑性也特别差，甚至在打印过程中出现严重的翘起，致使打印失败。
4、本发明抗磨损钛合金中加入la2o3粉末的优点如下：
5、1）由于氧化镧的熔点高（2315℃），与钛合金的熔化温度（1668℃）存在较大差异，所以la2o3实际凝固比原有β晶粒成形还要提早很多，并且熔点更高的la2o3相对更容易留在熔池内。因此，在本发明激光3d打印过程中，未分解且均匀分布的la2o3颗粒可以在凝固过程中充当异质成核的核，在形核的过程中，合金熔池内的形核数量的增加既可以提高形核速率，也可以促进非自发形核；
6、2）la2o3对于合金微观结构造成细化，还可以归因于一部分的稀土氧化物颗粒分解成元素原子，而这些原子一般倾向于聚集在晶界和固液界面，对边界运动起到阻碍作用，进一步细化晶粒尺寸，进而制备出一种抗磨损钛合金；
7、3）晶粒尺寸、粒尺寸的减小意味着单位面积晶界的增加，由于晶界之间的原子排列比纯晶粒内部的原子排列更加无序和复杂，细晶微观结构也增加了位错密度，能够起到一个位错强化的作用；
8、4）基体中均匀分布的la2o3颗粒也可以起到一个弥散强化的作用，最终经弥散强化、细晶强化以及位错强化的协同作用下获得具有高抗磨损性能的钛合金。
9、综上，本发明钛合金通过添加稀土氧化物la2o3作为异质添加物可增加有效成核位点，利用增材制造工艺快速熔化凝固的特性，使得准稳定化合物作为异质基底在凝固过程中发挥作用，进而改善增材制备合金的性能，同时通过显著细化晶粒，起到细晶强化的作用，大幅提升钛合金的耐磨性。
10、优选地，所述ti-15mo预合金球形粉末中，主要组分的质量分数为：ti 85.0～85.7%、mo14.3～15.0%、o≤0.3%，平均粒径为30～40μm。
11、优选地，所述la2o3粉末的平均粒径≤100nm。采用纳米级的la2o3粉末是为了通过球磨使其均匀附着在平均粒径为30～40μm的ti-15mo预合金球形粉末上，如若la2o3粉末粒径过大，则将难以附着于主体粉末上，会对后续打印成型工件性能造成不好的影响。
12、优选地，所述抗磨损钛合金的平均晶粒尺寸为9～13μm（更优选9.8～12.2μm，进一步优选9.9～11.0μm）。
13、优选地，所述抗磨损钛合金的几何必要位错密度为1×1014～2×1014m-2（更优选1.1×1014～1.6×1014m-2）。
14、优选地，所述预处理的方法包括：将ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末分别进行真空干燥；将真空干燥后的ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末进行球磨混粉；将球磨混粉后的粉末进行真空干燥后，筛分，得ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末的预处理混合粉末。
15、优选地，所述真空干燥的温度均为50～80℃，抽真空至-0.1mpa，时间均为8～14h。
16、优选地，所述球磨为真空行星式球磨。
17、优选地，所述球磨的球料比为1～4:1，球磨的速度为50～200 r/min，抽真空至-0.1mpa，球磨的时间为1～4h。适量的球料比有助于提升混粉的效果，促使纳米级la2o3粉末吸附在ti-15mo预合金球形粉末上，且适度的球磨速度以及时间，避免在球磨过程中可能对混合粉末球形度的破坏。
18、优选地，所述筛分为风包式气流分级筛分。
19、优选地，所述筛分的气流量为800～1200m3/h。
20、优选地，所述筛分的筛网目数为200～400目。所述筛网的材质为316l。
21、本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种抗磨损钛合金的增材制备方法，包括以下步骤：
22、（1）基板调平：将基板放置于成形平台，并使其与铺粉刮刀保持自然贴合状态；
23、（2）预铺粉：将所述ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末的预处理混合粉末置于选区激光熔融设备储粉仓内，进行预铺粉，使混合粉末均匀铺展在基板上；
24、（3）洗气：安装回粉管，擦拭激光器镜，关闭舱门，充入惰性气体进行洗气；
25、（4）基板加热：将预铺粉后的基板升温加热并保持，升温的同时将其向下移动后再向上移动；
26、（5）3d打印：根据设定的三维模型进行3d打印，得抗磨损钛合金。
27、本发明方法选择以选区激光熔融成形技术为研究对象。
28、优选地，步骤（1）中，所述基板为ti-6al-4v基板。
29、优选地，步骤（1）中，将基板下降至与成形室平面高度为0.1～2.0mm，使其与铺粉刮刀保持自然贴合状态。
30、优选地，步骤（1）中，所述刮刀为高速橡胶刮刀。
31、优选地，步骤（3）中，所述充入惰性气体使舱内氧气含量≤100ppm。
32、优选地，步骤（3）中，所述惰性气体为氩气等。本发明所使用的惰性气体为纯度≥99.9%的高纯气体。
33、优选地，步骤（4）中，所述升温加热至50～100℃。在所述温度下进行预热，有利于提高打印样品的致密度。
34、优选地，步骤（4）中，向上或向下移动的距离为50～150mm，移动速度为2～5mm/s。通过上下移动可避免因加热致粉末膨胀，致使塞积基板与成型平台之间的缝隙，最终导致对打印过程产生影响。
35、优选地，步骤（5）中，所述3d打印的激光功率为125～225w，激光扫描速度为900～1400mm/s，激光扫描间距为0.09～0.13mm，扫描层厚为0.01～0.03mm，采用逐层旋转0～67°的z字形扫描方式。
36、本发明方法的有益效果如下：
37、（1）本发明抗磨损钛合金的平均摩擦系数低至0.7943，磨损率低至0.6063×10-4mm3/(n·m)，耐磨性超过slm制造的ti-15mo样品5倍以上，slm制造的cp-ti样品的10倍以上，解决了生物医用材料应用因其有限的耐磨性而受阻碍的这一技术瓶颈，具有较好的推广应用价值；
38、（2）本发明方法工艺简单，成本低，适宜于工业化生产。
1.一种抗磨损钛合金，其特征在于：所述钛合金由ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末的预处理混合粉末制成；所述la2o3粉末的质量分数为0.2～0.8%。
2.根据权利要求1所述抗磨损钛合金，其特征在于：所述ti-15mo预合金球形粉末中，主要组分的质量分数为：ti 85.0～85.7%、mo 14.3～15.0%、o≤0.3%，平均粒径为30～40μm；所述la2o3粉末的平均粒径≤100nm；所述抗磨损钛合金的平均晶粒尺寸为9～13μm；所述抗磨损钛合金的几何必要位错密度为1×1014～2×1014m-2。
3.根据权利要求1或2所述抗磨损钛合金，其特征在于：所述预处理的方法包括：将ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末分别进行真空干燥；将真空干燥后的ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末进行球磨混粉；将球磨混粉后的粉末进行真空干燥后，筛分，得ti-15mo预合金球形粉末与la2o3粉末的预处理混合粉末。
4.根据权利要求3所述抗磨损钛合金，其特征在于：所述真空干燥的温度均为50～80℃，抽真空至-0.1mpa，时间均为8～14h；所述球磨为真空行星式球磨；所述球磨的球料比为1～4:1，球磨的速度为50～200 r/min，抽真空至-0.1mpa，球磨的时间为1～4h；所述筛分为风包式气流分级筛分；所述筛分的气流量为800～1200m3/h；所述筛分的筛网目数为200～400目。
5.一种如权利要求1～4之一所述抗磨损钛合金的增材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述抗磨损钛合金的增材制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述基板为ti-6al-4v基板；将基板下降至与成形室平面高度为0.1～2.0mm，使其与铺粉刮刀保持自然贴合状态；所述刮刀为高速橡胶刮刀。
7.根据权利要求5或6所述抗磨损钛合金的增材制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述充入惰性气体使舱内氧气含量≤100ppm；所述惰性气体为氩气。
8.根据权利要求5～7之一所述抗磨损钛合金的增材制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述升温加热至50～100℃；向上或向下移动的距离为50～150mm，移动速度为2～5mm/s。
9.根据权利要求5～8之一所述抗磨损钛合金的增材制备方法，其特征在于：步骤（5）中，所述3d打印的激光功率为125～225w，激光扫描速度为900～1400mm/s，激光扫描间距为0.09～0.13mm，扫描层厚为0.01～0.03mm，采用逐层旋转0～67°的z字形扫描方式。
