CN102888531B - 一种960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材 - Google Patents

Abstract

一种960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于：采用合金元素Al、C、O强化α相，采用合金元素V、Fe和Si强化β相，丝材成分及其重量百分比为Al：6.2%~7.2%；V：所说的丝材成分及其重量百分比为Al：6.2%~7.2%；V：4.0%~5.5%；Fe：0.10%~0.50%；O：0.12~0.22%；Si：0.05~0.12%，C：0.03~0.08%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明还提供了相应的熔炼、热加工和其电子束快速成形构件的热处理工艺。采用本发明的丝材不仅可以满足电子束熔丝堆积快速成形工艺的要求，还使钛合金构件具有优异的力学性能。故而本发明的推广应用，必将创造巨大的社会效益和经济效益。

Description

一种960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材

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960MPa强度级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结构承受较大载荷，对强度要求较高。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匹配具有明显优势，但因热加工周期长、材料利用率（只有3%~5%）极低导致成本非常高；在锻件尺寸规格较大和变截面情况下，还存在显微组织和性能均匀性难以保证的技术难题问题；铸件的优点是材料利用率比锻件高，但强度、塑性等力学性能比锻件明显偏低，而且铸件中不可避免的存在铸造缺陷，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，应用范围受到较大限制。锻造和铸造两种制备方法均需要工装模具，对设备、场地要求严格，快速响应能力较低。

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，可从三维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。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，零件的性能一致性较好，因此也是直接制造超大型钛合金结构的理想解决方案。

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材料的显微组织与锻造和铸造钛合金显微组织完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织，显微组织比锻件粗大，材料强化受到材料塑性限制很大。鉴于材料的性能取决于合金成分、制备工艺和热处理工艺，由于α+β型钛合金的热处理强化效果不明显，在电子束熔丝堆积快速成形特定工艺条件下，要获得较高的强度同时兼顾力学性能之间的合理匹配，必须对现有材料的合金成分进行创造性调整。

发明内容

本发明给出的是一种适合于制造更高强度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材料的抗拉强度达到960MPa，同时保持了必要的塑性，从而满足该强度级别电子束熔丝堆积快速成形构件的设计及应用需要。

钛合金有固溶强化、弥散强化、细晶强化和位错强化等多种强化手段和方式，但对于电子束熔丝快速成形工艺，由于没有热机械加工过程，因此位错密度较低，位错强化效果不会太明显；同样由于熔丝快速成形工艺特点，晶粒比较粗大，采用析出相会导致材料塑韧性明显降低，因此从材料强韧性匹配角度，我们优先选择了固溶强化和细化显微组织的细晶强化方案。

本发明的研究者发现，虽然钛合金中的某些元素如Al对材料的强化效果很明显，但由于这些元素与Ti的原子结合能为负且绝对值较大，具有较强的有序化倾向，导致材料塑性和韧性的明显降低，因此，从强韧化匹配角度考虑，尽量避免采用单一元素强化。

本发明提出一种960MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于：采用合金元素Al、C、O强化α相，采用合金元素V、Fe和Si强化β相，丝材成分及其重量百分比为Al：6.2%~7.2%；V：4.0%~5.5%；Fe：0.08%~0.50%；O：0.12~0.24%；Si：0.05~0.12%，C：0.03~0.08%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

对本发明钛合金丝材合金元素种类及其成分范围的选择是发明人多年研究的结果，下面分别作较详细的说明：

铝(Al)：Al是钛合金最常用的一种强化元素，同时具有稳定α相和提高材料相变转变温度的作用。Al含量增加，钛合金强度增加明显，但对材料塑性和韧性有不利影响，尤其是当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%~7.2%之间，使材料在获得高强度的同时保持必要的塑性和韧性；

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相和降低下相变点的作用。本发明研究者发现，V含量增加，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4.0~5.5之间为优。

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。但本发明研究者研究发现，在电子束熔丝快速成形技术条件下，O是一种必需的强化元素，其含量在0.12wt%~0.22%之间时，可以使材料在获得高强度的同时，塑性、韧性得到较好兼顾。

铁（Fe）：Fe是钛合金常用的一种强β稳定元素，对钛合金固溶强化作用比较明显，但铁加入量增加会带来材料高温蠕变和持久性能的降低。本发明研究者发现，Fe含量在0.10%~0.50%之间时，可在实现有效强化的同时兼顾材料高温性能。

碳（C）：C是一种强α稳定元素，对材料也有一定强化作用，可明显提高材料相转变温度，拓宽钛合金的热加工和热处理窗口。但C加入量超过一定限度，会明显降低钛合金的塑性和韧性。本发明C含量在0.03%~0.08%之间，可使电子束快速成形钛合金强度、塑性和韧性基本得到保持，同时拓宽了热工艺窗口。

硅（Si）：Si属于β共析元素，对位错有强烈的吸引作用，容易形成位错团，对位错运动起阻碍作用，从而达到强化目的。本发明Si含量控制在0.05~0.12之间，实现同时提高室温和高温强度的目的，并保持必要的韧性。

可以看出本发明的丝材是一种Ti-Al-V-Fe-O-C-Si系七元钛合金，为达到所需的强度同时保证必要的塑性，采用了多种微量元素复合强化的方式，有效避免了在电子束快速成形材料晶粒较粗的情况下采用单一元素强化强度和塑性、韧性不能有效兼顾的问题。

本发明为实施960MPa强度级熔丝堆积快速成形构件用α＋β钛合金丝材，提供了一整套包括丝材用铸锭的冶炼工艺、丝材的热加工工艺和电子束熔丝堆积成形后的热处理工艺，其中冶炼工艺由下述步骤组成：

（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Fe以纯铁粉或Al-V-Fe中间合金形式加入；

（4）合金元素O以TiO₂加入；

（5）合金元素Si以Al-Si中间合金加入；

（6）合金元素C以高纯石墨粉或活性炭的形式加入；

（7）中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；

（8）将若干支电极组焊在一起，用真空自耗电极电弧炉熔炼2～3次，制成合金锭。

其热加工工艺则由下述步骤组成：

（1）对铸锭进行预处理，切除帽口、剔除表面缺陷；

（2）在1000°C～1200°C下对铸锭进行开坯；

（3）在1000℃～1100℃用水压机或锻锤拔长；

（4）在940℃～1050℃下采用精锻或轧制制成Φ40~60mm棒材：

（5）在920℃～1000℃将Φ40~60mm精锻或轧制棒材轧制成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550℃～800℃下拉丝或室温～500℃旋锻；

（8）表面处理，如机械扒皮、纱布袋抛光、碱酸洗或碱酸洗加抛光等。

而电子束快速成形制件的热处理工艺，则由下述步骤组成：

固熔处理：α+β/β相变点下5°C～45℃固熔处理1～5h，根据零件的厚度采用油淬或风冷或空冷；

时效处理：500℃～650℃，空冷。

本发明系一种选择性的发明，其创新点在于针对熔丝堆积快速成形技术特点，充分利用Al、V、Fe、的不同强化机制以及Si、C、O的累积强化效应，并根据熔丝堆积钛合金的工艺及材料性能特点，得到一种适用于制作960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材，满足高强度电子束快速成形构件的选材需要。

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；Fe以纯Fe粉或Al-V-Fe中间合金加入，合金元素O以TiO₂加入，合金元素Si以Al-Si中间合金加入，合金元素C以高纯石墨粉或活性炭的形式加入。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°C±20℃开坯→水压机1020°C±30℃分2火次拔长到Φ120mm→950°℃±10℃精煅到Φ40~60mm→在950°C±20℃采用轧机轧制Φ10~12mm棒丝材→表面修磨去除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4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°C/2h固溶、空冷+570°C/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。

首先按照下述成分配制三个合金，用本发明的熔炼、热加工和热处理工艺制成丝材，用该三个实施例检验其成分的均匀性和热加工性能，并采用电子束熔丝堆积后观察制件的显微组织并测试其性能，结果均达到了预期的效果。

实施例1，合金成分为(wt%):Al：7.2%；V：4.0%；Fe：0.50%；O：0.12%；Si：0.05%；C：0.08%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

实施例2，合金成分为(wt%):Al：6.2%；V：5.5%；Fe：0.20%；O：0.22%；Si：0.10%；C：0.03%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

实施例3，合金成分为(wt%):Al：6.8%；V：5.0%；Fe：0.10%；O：0.17%；Si：0.12%；C：0.04%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

本发明在验证了上述合金的综合性能达到预期目标后，又进行了大量的合金成分优选试验，其优选成分将通过以下几个实施例来做进一步详述，但本发明并不局限于下述几个优选的实施例。

表1优选实施例的合金成分

表2试验料堆积工艺

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

表3是与表1实施例对应的电子束快速成形材料的性能数据。可以看到，采用本发明成分范围内的钛合金丝材，电子束熔丝堆积材料强度可以在930~970MPa之间，比对比例高出70MPa~100MPa，拉伸延伸率在5.7%~8.3%之间，可满足对强度要求较高的电子束成形结构件的性能需要。

表3电子束熔丝堆积实验料的拉伸性能

注：表3中X方向表示堆积过程中丝材运动方向。

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。该丝材主要适用于对强度要求较高的电子束熔丝堆积快速成形结构件。随着包括电子束在内的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 (3)

1.一种960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于：

(1)采用合金元素Al、C、O强化α相，采用合金元素V、Fe和Si强化β相，丝材成分及其重量百分比为Al：6.2％～7.2％；V：4.0％～5.5％；Fe：0.10％～0.50％；O：0.12～0.22％；Si：0.05～0.12％，C：0.03～0.08％；余量为Ti和不可避免的杂质元素；

(2)该丝材适合于制作960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件，该快速成形工艺的工艺参数为：电子枪加速电压：60kV；聚焦电流：820mA；束流：135mA；运动速度：15mm/s；送丝方式：双丝；送丝速度：35mm/s；

(3)该钛合金丝材由以下冶炼工艺制成，步骤是：

(a)采用0～2级海绵钛作原料；

(b)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；

(c)合金元素Fe以纯铁粉或Al-V-Fe中间合金形式加入；

(d)合金元素O以TiO₂加入；

(e)合金元素Si以Al-Si中间合金形式加入；

(f)合金元素C以高纯石墨粉或活性炭的形式加入；

(g)中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；

(h)将若干支电极组焊在一起，用真空自耗电极电弧炉熔炼3次，制成合金锭。

2.一种权利要求1所述的960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型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940℃～1000℃下将棒材轧长或精锻：

(5)在940℃～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缺陷；

(7)在500℃～800℃下拉丝或室温～500℃旋锻；

(8)表面机械扒皮或/和碱酸洗处理。

3.一种将权利要求1所述的960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材通过电子束熔丝堆积快速成形制备的构件的热处理工艺，其特征在于由下述步骤组成：

(1)固溶处理：α+β/β相变点下5℃～45℃固溶处理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℃～650℃，空冷。