CN102888532A - 一种920MPa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 - Google Patents

Abstract

一种920MPa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和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和Fe强化β相，所说的丝材的成分及其重量百分比为Al：6.2%～7.5%；V：4.0%～5.5%；Fe：0.10%～0.50%；O：0.12%～0.25%，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较为优异的力学性能。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920MPa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

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920MPa强度级别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，对材料性能尤其是强度要求较高。传统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、成本高以及毛坯尺寸大时性能均匀性难以保证的问题；铸件的优点是材料利用率比锻件高，但存在强度、塑性等力学性能明显偏低、铸造缺陷和因构件尺寸效应带来的显微组织及力学性能的均匀性控制难题，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，应用范围受到很大限制。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，延长了供货周期、提高了成本。

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，大尺寸零件也能得到较好的性能一致性，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显微组织完全不同，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、热加工及热处理工艺，由于α+β型钛合金热处理强化效果不明显，因此在电子束熔丝堆积工艺条件下，要获得较高的强度和可接受的塑性和韧性，必须对现有材料的合金成分及合金体系进行创造性调整。

发明内容

本发明的目的是研究一种适合于电子束熔丝堆积快速成形技术的钛合金丝材，采用这种钛合金丝材，可以使电子束熔丝堆积快速成形材料/构件的抗拉强度达到920MPa以上，延伸率不低于6%，从而满足该强度级别结构件的性能需要。

钛合金的强化方式有固溶强化、弥散强化、细晶强化和位错强化等多种强化手段，但对于熔丝快速成形工艺，由于没有热机械加工过程，因此位错密度较低，位错强化效果也不会太明显；同样由于熔丝快速成形工艺特点，晶粒比较粗大，采用析出相如α₂相、硼化物等弥散强化，会造成材料变形过程中的应力和应变集中，导致塑性明显降低，因此从电子束快速成形材料强韧性匹配角度，应该优先选择固溶强化方案。

从原子占位角度，钛合金中的合金化元素可分为置换元素和间隙元素两类；根据对钛合金相变点的影响，可以分为α稳定元素和β稳定元素。本发明研究者经过多年的研究发现，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，加入量超过一定限度会导致材料塑性和韧性明显降低，因此，从强韧化匹配角度考虑，尽量避免了采用单一元素强化。

本发明提供了一种920MPa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和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和间隙元素Fe强化β相，所说的丝材的成分及重量百分比为Al：6.2%～7.5%；V：4.0%～5.5%；Fe：0.10%～0.50%；O：0.12%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

本发明为实施920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用丝材，提供了一整套包括α+β型钛合金丝材用铸锭的冶炼工艺、热加工工艺和成形制件的热处理工艺，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）中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；

（6）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。

本发明的钛合金丝材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℃～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～Φ16mm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、酸洗加抛光等。

而本发明钛合金丝材电子束熔丝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℃～45℃固熔处理1～5h，根据构件的厚度采用油淬或风冷或空冷；

时效处理：500℃～600℃，空冷。

目前市场上有两种与本发明合金成分相类似的两种钛合金丝材，材料牌号分别为TC4和TC4ELI，见GB/T3623-2007。这两种丝材的用途分两类，一类为结构丝材，主要用作结构件和紧固件；另一类为焊丝，主要用作电极材料和焊接材料的焊丝，成分见表1，目前没有专门针对电子束快速成形技术的钛合金丝材。为方便比较，将本发明丝材成分列于表2。

表1GB/T 3623-2007中两种焊丝成分  (wt%)

表2本发明电子束熔丝堆积用丝材的合金成分  (wt%)

可以看出本发明的丝材是一种Ti-Al-V-Fe-O系五元钛合金，将杂质元素O和Fe作为微合金化元素加入，仅对其加入量进行必要的限制，通过Al、V、Fe和O四种合金元素的特定组合使材料相组成基本不变的前提下，α和β两种相都得到有效强化，从而使电子束熔丝堆积快速成形构件的强度达到920MPa以上，同时保持了6%以上的延伸率。

本发明的创新点是针对熔丝堆积快速成形技术特点，充分利用了多元复合强化及合金化元素的不同强化机制，在常规合金元素潜能得到充分发掘的前提下，将该类型钛合金中通常作为杂质元素来控制的Fe和O作为微合金化元素加入，在电子束熔丝堆积快速成形这种特定的工艺技术条件下，材料性能达到920MPa强度级电子束熔丝堆积钛合金结构件的使用要求。在这一点上我们颠覆了传统观念。传统的观念认为间隙杂质元素Fe和O对钛合金的塑性和韧性是有害的，必须尽可能的加以去除；然而在我们发明的特定工艺条件下，可以将它们当作微量合金化元素来加入，不但对合金的强化很有利，同时保持了必要的塑性和韧性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步地说明与补充。

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。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。

热加工工艺流程为：铸锭开坯（1150℃±50℃）→水压机或锻锤拔长（1050℃±20）→Φ40~Φ60mm棒材轧制或精煅（950℃±20℃）→Φ8~Φ16mm规格棒材轧制（950℃±10℃）→表面机械扒皮→拉丝（600℃±100℃）→表面机械扒皮或碱酸洗处理，制成成品丝材。

采用本发明丝材堆积的电子束快速成形制件的热处理工艺为固溶时效。固溶处理：β/α+β相变点下5℃～45℃/1～5h，空冷；时效处理，500℃～650℃/3～10小时，空冷。

本发明丝材规格可在Φ1.0~3.0mm之间。采用Φ2.0的丝材和表3电子束熔丝堆积快速成形工艺，得到长300mm、宽160mm、高90mm的实验堆积料，用线切割切20mm厚的坯料进行热处理，热处理工艺为：固熔：930℃/2h，空冷，时效：570℃/5h，空冷。采用线切割切取Φ12.3的棒加工标准拉伸试样进行力学性能测试。

按照上述熔炼工艺，首先配制了如下三种成分的钛合金：

实施例1的合金成分为(wt%)：Al：6.2%；V：5.5%；Fe：0.10%；O：0.12%，余量为Ti和不可避免的杂质元素；

实施例2的合金成分为(wt%)：Al：6.5%；V：4.5%；Fe：0.50%；O：0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质元素；

实施例3的合金成分为(wt%)：Al：7.5%；V：4.0%；Fe：0.20%；O：0.20%，余量为Ti和不可避免的杂质元素；

通过该三个实施例熔炼后做热加工和热处理试验，发现其综合性能能够达到预期的结果。为此，又进行了大规模的试验，在此基础上选取以下几个典型的实施例作进一步的详述，但本发明并不局限于下述几个优选实施例，优选实施例的合金成分见表4，熔丝堆积实验料的拉伸性能见表5。

表3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

表4优选实施例的合金成分

由表5中的实施例4~6可见，当O含量在0.1wt.%左右时，增加Al含量到7.0%可明显提高材料强度，延伸率降低不明显；当Al含量达到7.5%时，强度增加不明显，但延伸率有比较明显降低；

表5电子束熔丝堆积实验料的拉伸性能

由实施例4、7和8可以看到，当O含量在0.1wt.%左右时，增加Fe到0.31%时材料强度有明显提高，但继续增加Fe到0.5%对强度和/或塑性改善不明显。

由实施例9可以看到，在实施例4基础上，当Fe、O含量同时增加到0.23%和0.16%时，快速成形材料强度可达到945MPa。

由实施例10可以看到，在实施例4基础上将O含量提高到0.23%，将Al含量降低到6.1%，材料强度可达到932MPa，但塑性同比降低。

由实施例11可以看到，在实施例9基础上降低V含量到4.13、降低Fe含量到0.04，强度降低60MPa左右。

由实施例12可以看到，在实施例11基础上增加V到5.2%，材料强度可恢复到与实施例10相当的水平，但塑性略有改善。

采用市场上现有的TC4和TC4ELI两种典型成分的钛合金焊丝，见对比例1和2，经与实施例4～12相同工艺的电子束快速成形和热处理后，堆积材料强度分别可达到848MPa和785MPa，但塑性较好。

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920MPa以上；根据不同的合金成分配比，比对比例强度高出50~90MPa。本发明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920MPa强度级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堆积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920MPa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和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和Fe强化β相，所说的丝材的成分及其重量百分比为Al：6.2%～7.5%；V：4.0%～5.5%；Fe：0.10%～0.50%；O：0.12%～0.25%，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920MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材用铸锭的冶炼工艺，其特征在于它由下述步骤组成：

（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）中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；

（6）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920MPa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，其特征在于它由下述步骤组成：

（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950℃～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～Φ16mm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）表面机械扒皮或/和酸碱洗处理。

4.一种为实施权利要求1所述的920MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材电子束快速成形制件的热处理工艺，其特征在于它由下述步骤组成：

（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。