CN102776412A - 一种中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材 - Google Patents
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Abstract
一种中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材，其特征在于：丝材的成分及重量百分比为Al：6.2%~7.0%；V：4.0%~5.0%；O：0.13~0.24%；Fe≤0.1%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明还相应地提供了上述丝材的熔炼、热加工和其电子束快速成形构件的热处理工艺，按照本发明的工艺和合金成分制造的钛合金丝材，不仅可以满足电子束熔丝堆积快速成形技术的工艺要求，而且所制造的航空工业上应用的构件具有较好的综合性能。本发明的推广应用必将创造良好的社会效益和巨大的经济效益。
Description
技术领域：
本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种专用于制作中强高韧电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材。
背景技术
为减轻飞机结构重量，采用高比强度的钛合金材料是一种非常理想的选择。飞机用大型复杂钛合金承力结构承受较大载荷，同时基于长寿命和高可靠性的需求，对材料性能特别是静强度、疲劳强度和韧性的要求较高。传统的大型复杂钛合金结构有锻造和铸造两种典型制备方法，相对于铸件，锻造零部件（锻件）综合力学性能尤其是强度和塑性具有明显优势，但存在热加工周期长、材料利用率（只有3%~5%）极低和成本高的缺点，而且在毛坯尺寸大的情况下，锻件组织和性能的均匀性也难以保证；铸件的优点是材料利用率比锻件高，成本比锻件低，但铸件强度、塑性等力学性能与锻件相比明显偏低，而且还存在由于尺寸效应带来的显微组织及力学性能的均匀性及铸造缺陷难以控制的问题，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，使其应用范围受到很大限制。锻造和铸造两种工艺手段均需要工装模具，对设备、场地要求严格，进一步延长了供货周期、提高了成本，不具备快速反应能力。
电子束熔丝堆积快速成形是上世纪90年代以后兴起的一项新技术，可以通过三维CAD模型直接制造零件，无须模具，制件机械加工量小，成形速度和成形质量都比较高，可以大大加快设计-验证迭代循环，实现敏捷制造，优势明显。电子束熔丝堆积快速成形技术采用微滴组装的办法，对零件尺寸不敏感，因此大尺寸零件的性能一致性也较好，是直接制造大中型钛合金结构件的理想解决方案。
然而，由于采用了与传统制备方法完全不同的工艺，电子束熔丝堆积快速成形钛合金的显微组织与锻件、铸件完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织。因为材料的性能取决于合金成分和显微组织，在显微组织发生重大改变的情况下，要获得与传统锻造工艺相同或相近的力学性能，必须对材料的合金成分进行创造性调整。
发明内容
本发明的目的是研究一种适合于制备中强高韧电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材，采用这种丝材，可以使电子束熔丝堆积快速成形构件的抗拉强度达到850MPa~890MPa之间，同时具有高韧性和高疲劳性能，其特征在于：所说丝材的成分及重量百分比为Al：6.2%~7.0%；V:4.0%~5.0%；O：0.13~0.24%，Fe≤0.1%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。用其制作的电子束熔丝堆积材料拉伸强度Rm在850MPa~900MPa之间，延伸率δ≥9%，冲击韧性αkU2≥65J/cm2，断裂韧度KIC≥100MPa·m1/2，从而满足高安全可靠性、长寿命电子束熔丝堆积快速成形钛合金结构件的设计需要。
对本发明钛合金丝材中合金元素种类及其成分范围的选择说明如下：
铝(Al)：Al是钛合金最常用的一种强化元素，同时具有稳定α相和提高相变转变温度的作用。Al含量增加对钛合金强度增加有明显作用，但对材料塑性和韧性有不利影响，尤其是由于Al含量增加导致Ti3Al相析出时，对塑性和韧性损害更大。本发明钛合金丝材中将Al的加入量控制在6.2%~7.0%之间，使材料保持高塑性和韧性的同时保证高的静强度；
钒（V）：V是钛合金常用的一种β稳定元素，具有固溶强化、稳定β相和降低α+β/α相变点的作用。本发明的研究者发现，V含量增加到，还具有细化条状α相的作用，因此兼具有细晶强化作用。但由于V价格较高，从性价比考量，将V的加入量确定在4.0~5.0之间。
氧（O）：O是一种强α稳定元素，从元素占位角度，与N、H同属间隙元素。间隙元素对材料的强化作用明显，但对材料的塑性和韧性的不利作用也很明显，因此在现有认知的高韧性钛合金中O、N、H元素是作为杂质元素严格控制的。而本发明的研究者发现，在电子束熔丝快速成形技术条件下，O含量在0.13wt%~0.24%之间时，是材料获得高静强度和疲劳强度的必要条件，但塑性、韧性也可得到较好兼顾。
本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下：原材料采用0~2级海绵钛，合金元素V以Al-V中间合金加入，Al元素不足部分由纯Al加入；合金元素O以TiO2加入。中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，放入真空自耗电弧炉中熔炼2~3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。
本发明的热加工工艺流程为：铸锭开坯（1050℃～1200℃）→水压机或锻锤拔长（980℃～1100℃）→Φ40~Φ60mm棒材轧制或精煅（920℃～1000℃）→Φ8~Φ16mm规格棒材轧制（920℃～980℃）→表面修磨（去除表面氧化皮和微裂纹等缺陷）→拉丝（450℃～750℃）或旋锻(室温～500℃)→表面处理，制成成品丝材。
本发明丝材电子束熔丝堆积后的热处理工艺如下：经β/α+β相变点下5℃～45℃/1～5h固溶，可根据零件的厚度，采用不同的冷却方式。时效处理，500℃～600℃/3～10小时空冷。
本发明材丝规格可在Φ1.0~3.0mm之间。以Φ2.0mm丝材为例，用电子束熔丝堆积快速成形工艺得到指定规格的实验料，经β/α+β相变点下5℃～45℃/1～5h固溶，根据零件的厚度，厚度≥75毫米采用油淬；厚度30毫米～75毫米采用风冷；厚度≤30毫米采用空冷。时效处理，500℃～600℃/3～10小时空冷热处理后，采用线切割切取试样坯加工标准拉伸、冲击和断裂韧度试样，进行力学性能测试。
本发明系一种选择性发明，发明的创新点是针对熔丝堆积快速成形技术特点，充分利用了Al、V、O的不同强韧化机制，并根据电子束熔丝堆积钛合金的工艺及材料性能特点，加入适量的常规高韧性钛合金中需要严格控制的O氧元素，同时严格控制Al元素成分范围，使电子束快速成形材料保证高韧性的同时得到了足够高的强度。目前国外公认的中强高损伤容限TC4ELI合金，由于将氧(O)看成为有害的杂质元素，故其合金成分对O的含量是严格控制的，见表1。本发明的丝材成分见表2。两者对比可以看得出，由于本发明是将氧当作改善合金性能的元素，故将氧含量从最高0.11%提高到0.13%到0.24%，这一点突破了本领域的传统观念，从传统观念看来的确是难以想象的。
表1GB/T3623-2007中TC4ELI合金的丝材成分（wt%）
表2本发明丝材的合金成分(wt%)
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的内容作进一步的说明与补充。
本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下：原材料采用0~2级海绵钛，合金元素V以Al-V中间合金加入，Al元素不足部分由纯Al加入；合金元素O以TiO2加入。中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，放入真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成Φ220mm合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。热加工工艺流程为：铸锭采用水压机在1100℃±20℃开坯→水压机1020℃±30℃分2火次拔长到Φ120mm→950℃±10℃精煅到Φ50~60mm→在950℃±20℃采用轧机轧制Φ10~12mm棒丝材→表面修磨去除表面氧化皮和微裂纹等缺陷→450℃～750℃拉丝到Φ2.1mm→表面扒皮→2.0mm，制成不同成分的成品丝材。然后采用表3的电子束熔丝堆积工艺，得到长300mm、宽160mm、高90mm的堆积实验料，经β/α+β相变点下5~45℃/2h固溶、空冷+570℃/4h、空冷热处理后，采用线切割切取Φ12.3的棒加工标准拉伸试样，切取截面尺寸为10.5mm×10.5mm、长55mm的方棒加工U型缺口冲击试样，加工厚度为35~55mm的紧凑拉伸试样测试断裂韧度。
表3试验料的电子束熔丝堆积工艺
| 加速电压 | 聚焦电流 | 束流 | 运动速度 | 送丝方式 | 送丝速度 |
| 60KV | 820mA | 135mA | 15mm/s | 双丝 | 35mm/s |
本发明从大量的实施例中选取以下几个优选实施例来做进一步详述，见表4和5。但本发明并不局限于下述几个实施例。
表4优选实施例的合金成分
由表5实施例1~5可见，在相同的堆积工艺和热处理工艺条件下，采用本发明丝材，电子束熔丝堆积材料强度与对比例相比提高50~80MPa，但延伸率、冲击和断裂韧性却保持了与对比例相当的水平。
表5电子束熔丝堆积实验料的拉伸性能
注：表4中X方向表示电子束熔丝堆积过程中丝材的运动方向。
从以上实施例可以看出，采用本发明的钛合金丝材，由电子束熔丝工艺堆积成形后，堆积材料强度可达到860MPa以上；根据不同的合金成分配比，比对比例强度高出50~80MPa，塑性、冲击韧性和断裂韧性基本得到保持，适合于制作中强高韧电子束熔丝堆积钛合金结构件。本发明钛合金丝材可采用常规的工艺生产，工艺简单，成材率高，因此成本较低。随着高能束流熔丝快速成形技术的推广应用，该丝材的应用前景比较广阔，有望取得可观的社会和经济效益。
Claims (4)
1.一种中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材,其特征在于：所说丝材的成分及重量百分比为Al：6.2%~7.0%；V:4.0%~5.0%；O：0.13~0.24%；Fe≤0.1%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.一种为实施权利要求1所述的中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材用铸锭的冶炼工艺，其特征在于由下述步骤组成：
（1）采用0～2级海绵钛作原料；
（2）合金元素Al以Al-V中间合金形式加入；Al不足部分由纯Al补充；
（3）合金元素O以TiO2加入；
（4）中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；
（5）将若干支电极组焊在一起，用真空自耗电极电弧炉中熔炼2～3次，制成合金锭。
3.一种为实施权利要求1所述的中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材的热加工工艺，其特征在于由下述步骤组成：
（1）对铸锭进行预处理，切除帽口、剔除表面缺陷；
（2）在1000℃～1200℃下对铸锭进行开坯；
（3）在1000℃～1100℃用水压机或锻锤拔长；
（4）在920℃～1000℃下将棒材轧长或精锻；
（5）在920℃～980℃将棒材轧制成Φ8～Φ16规格；
（6）表面修磨以去除表面氧化皮和微裂纹等缺陷；
（7）在500℃～800℃下拉丝或室温～500℃旋锻；
（8）表面机械扒皮或/和酸碱洗处理。
4.一种为实施权利要求1所述钛合金丝材电子束熔丝堆积快速成形后的热处理工艺，其特征在于由下述步骤组成：
（1）固熔处理：α+β/β相变点下5℃～45℃固熔处理1～5h,根据零件的厚度采用油淬或风冷或空冷；
（2）时效处理：500℃～600℃，空冷。
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