F75 CoCrMo概述

1.1 通用特性

鈷基合金早已被廣泛的應(yīng)用在苛刻的領(lǐng)域，過(guò)去是以熔融鑄造來(lái)作為可工業(yè)化的制程。Arcam公司的電子束熔煉將和鑄造技術(shù)成為直接競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)手，在鈷基合金制造成復(fù)雜零件的另一個(gè)可行性的選擇。大多數(shù)鈷基超合金鑄造的熔融鑄造都是在開(kāi)放的大氣氣氛中進(jìn)行鑄造，但Arcam公司的電子束熔煉過(guò)程是在真空環(huán)境下，提供了可控制的環(huán)境并使加工零件材料性能更優(yōu)越。鈷鉻鉬合金廣泛的用于醫(yī)療用植入物裝置，尤其適用于高硬度或高拋光、極耐磨材料的合金。鈷鉻鉬合金的應(yīng)用程序如膝關(guān)節(jié)植入物的首選材料，金屬對(duì)金屬髖關(guān)節(jié)和口腔修復(fù)中的配件。

鈷合金的性能在航空和陸上燃?xì)廨啓C(jī)中也起著重要的作用，雖然真空鑄造鎳合金在現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱部件中占有主導(dǎo)地位，但鈷合金通常被指定用于工業(yè)氣體渦輪機(jī)的燃料噴嘴和葉片等特別苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合。Arcam公司的ASTM F75是一種非磁性的鈷鉻鉬合金，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨的特性，廣泛的應(yīng)用于骨科和牙科植入體，以及高度拋光的部件包括股骨柄置換髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)髁，其他還有鈷醫(yī)療植入物包括髖臼杯和脛骨托盤(pán)。在所有情況下，特別是在髖關(guān)節(jié)部件，材料質(zhì)量是很重要的，因?yàn)檫@些植入物零件是承受重負(fù)荷和反復(fù)的疲勞。

1.2特性

Arcam公司的ASTM F75 CoCrMo合金也適用于塑料件的注塑生產(chǎn)用的高速注射用模具，其高硬度的材質(zhì)和優(yōu)良的材料質(zhì)量可允許拋光組件達(dá)到光學(xué)或鏡面等級(jí)，并確保模具的壽命。這些模具可以制作成復(fù)雜的幾何形狀，并且制作隨形冷(冷卻水路接近產(chǎn)品的表面)，進(jìn)一步提高模具的使用壽命和提高生產(chǎn)率，以及零件和其表面的質(zhì)量。

1.3應(yīng)用

鈷鉻鉬合金的典型應(yīng)用

–燃?xì)廨啓C(jī)

–整形外科植入物

–牙科植入物

1.4粉末規(guī)格

Arcam公司的ASTM F75 CoCrMo合金粉末是采用氣體霧化和化學(xué)成分符合ASTM F75標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格生產(chǎn)的來(lái)做為電子束沉積使用的，粉末的顆粒大小為45 - 100微米(mm)，最小顆粒尺寸的限制保證了粉末的安全處理(過(guò)小的粉末有塵暴危險(xiǎn))。請(qǐng)參閱Arcam公司的MSDS(材料安全數(shù)據(jù)表)關(guān)于Arcam ASTM F75 CoCrMo合金的處理和安全的更多信息。

1.5化學(xué)成份

如下表1. 有關(guān)Arcam ASTM F75 與ASTM F75的比較表，注意到余量是鈷元素。

材料中含的鈷和鉻(Co, Cr)都是低蒸氣壓材料易在燒結(jié)過(guò)程蒸發(fā)

計(jì)算密度：熱等靜壓(HIP)>8.29 g/cc (MIM燒結(jié)有孔隙可能低于此數(shù)字)

1.6機(jī)械性能

如下表2. 有關(guān)Arcam ASTM F75 與ASTM F75的機(jī)械性能比較表

圖2. Arcam ASTM CoCr F75耐疲勞測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)；上圖為公制MPa；下圖為美制KSI

2.后處理

2.1采用金屬注射成形

推薦使用POM喂料系統(tǒng)，并采用酸催化脫脂，由于CoCrMo三元合金對(duì)于碳的敏感性，一定要確保脫除粘結(jié)劑干凈，并嚴(yán)格控制碳含量不能超標(biāo)以防止尺寸變異以及性能變差；但碳含量過(guò)低硬度也會(huì)跟著不夠，強(qiáng)度變差，燒結(jié)曲線的設(shè)定建議不要跑到高真空段太久。燒結(jié)最高溫度建議至少要在1250~1300℃范圍內(nèi)，并有至少3小時(shí)以上的保溫以增加材料的致密度。由于大中華區(qū)的燒結(jié)爐條件不盡相同，Dr. Q無(wú)法精確告知各位正確的燒結(jié)條件，但是處理過(guò)BASF Panacea這支材料的廠家，應(yīng)該就不陌生燒結(jié)的參數(shù)變動(dòng)，注意到致密化的最高燒結(jié)溫度甚至要到達(dá)6小時(shí)以確保MIM件密度到位，請(qǐng)注意！

2.2熱處理

經(jīng)過(guò)3D打印的產(chǎn)品必須采用下列兩種熱處理方式

1. 如果有必要，熱等靜壓是一個(gè)增加密度的制程，請(qǐng)按照：1200℃, 1000ba, 氬氣保壓240分鐘。

2. 均質(zhì)化熱處理(HOM)請(qǐng)按照下列參數(shù)：1220℃, 0.7~0.9 mba, 氬氣保壓240分鐘；然后急冷由1220℃到760℃，必須在8分鐘內(nèi)。這種急速冷卻的目的是為了防止溶解到基地的碳聚集并改善顯微結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性，減少由于EBM材料因打印沉積的不均勻現(xiàn)象(金屬粉末注射成形亦采用此工藝處理)

2.3 切削

3D沉積的F75有很好的切削性能，零件可以采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工來(lái)移除材料。同時(shí)也允許拋光到達(dá)鏡面或光學(xué)等級(jí)的光滑表面。(當(dāng)然必須經(jīng)過(guò)HIP消除內(nèi)部孔隙后，這和MIM零件的先天缺失是一樣的，3D打印和沉積方式都有這樣的分層與孔隙)

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理和調(diào)質(zhì)處理(HIP+HOM)，以電子束沉積的3D打印方式的F75零件的顯微結(jié)構(gòu)可以很輕易的觀察到具有層狀結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樘汲练e在晶界的位置。熱處理可以改變這種不均勻的現(xiàn)象使碳重新溶解到結(jié)構(gòu)中。

以下微觀結(jié)構(gòu)是未經(jīng)熱處理以及熱處理之后，在Z方向的顯微結(jié)構(gòu)變化，碳含量較多的地區(qū)顯示出較高的硬度。

圖3.剛完成沉積后的零件Z方向截面的微結(jié)構(gòu)；左50x(紅色尺標(biāo)顯示200um)、右 100x(紅色尺標(biāo)顯示100um)

經(jīng)過(guò)熱等均壓與均質(zhì)處理后顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為均勻狀態(tài)(等軸晶體)，碳重新溶解到基地晶粒中使得零件脆性降低而延展性變好，這里也看不到有任何的孔洞。

圖4.經(jīng)熱處理后的零件Z方向截面的微結(jié)構(gòu)；左50x(紅色尺標(biāo)顯示200um)、右 100x(紅色尺標(biāo)顯示100um)