CN106994471A - 一种780MPa强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材 - Google Patents

一种780MPa强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材，采用合金元素Al和Zr强化α相，采用合金元素Nb和Mo强化β相，合金成分及重量百分比为Al：6.0%～7.0%；Nb：2.2%～3.5%；Zr：1.3%～2.6%；Mo：0.6% ～1.5%；Fe≤0.25%，Si≤0.15%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.15%；余量为Ti。本发明的钛合金丝材直径可达0.8mm，可以使电子束熔丝3D打印构件的抗拉强度达到780MPa以上、延伸率达到10%以上，综合性能满足海洋工程领域领域用电子束熔丝3D打印构件的设计及应用需要。

Description

一种780MPa强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材及其成型工艺。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐蚀性好、无磁性等优良的综合性能，应用于船舶与海洋工程领域有以下两方面的优势：（1）钛合金在海水中不腐蚀，保证了设备运行安全性，同时大幅降低维护和更换成本；（2）钛合金比强度高，采用钛合金代替钢制构件可实现减重40%左右。因此，钛合金构件在船舶与海洋工程领域具有广阔的应用前景。
海洋工程用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，锻件综合力学性能具有明显优势，但锻件热加工周期长、件材料利用率低等因素导致锻件成本高；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；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。
3D打印技术从零件的三维CAD模型出发，无需模具，直接制造零件，大大缩短复杂构件的制造周期、降低材料消耗和加工制造费用。电子束熔丝沉积3D打印技术采用高能电子束作为热源，在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送人熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件。
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3D打印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。海洋工程用钛合金构件要求强度适中，具有较高的韧性和良好的可焊性。鉴于材料的性能取决于合金成分和组织状态，在电子束熔丝堆积快速成形特定工艺条件下，要获得材料强度、塑韧性、可焊性间的合理匹配，必须对现有材料的合金成分进行创造性调整。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材，该钛合金丝材直径可达0.8mm，可以使电子束熔丝3D打印构件的抗拉强度达到780MPa以上、延伸率达到10%以上，综合性能满足海洋工程领域领域用电子束熔丝3D打印构件的设计及应用需要。
本发明所采用的技术方案是：一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材，采用合金元素Al和Zr强化α相，采用合金元素Nb和Mo强化β相，合金成分及重量百分比为Al：6.0%～7.0%；Nb：2.2%～3.5%；Zr：1.3%～2.6%；Mo：0.6% ～1.5%；Fe≤0.25%，Si≤0.15%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.15%；余量为Ti。
所述的钛合金经以下步骤熔炼制成：Ti以海绵钛的形式加入，合金元素Mo、Nb分别以Al-Mo、Al-Nb中间合金形式加入，Zr以纯金属形式加入，Al不足部分由纯Al补充；原材料经混合机混合均匀后制成电极，电极在氩气罩保护下组焊在一起，然后经真空熔炼2-3次，制成合金锭，再对合金锭进行切除冒口，采用车床进行扒皮处理，制得钛合金光锭。
所述的780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺，包括以下步骤：
（1） 铸锭锻造：在1000℃~1200℃下采用压机对钛合金光锭进行开坯，得到方坯；在950℃~1050℃下采用压机或锻锤对方坯进行改锻，再在900℃~1000℃下将钛合金方坯锻造成截面50mm×50mm的方棒；
（2） 盘条轧制：在850℃~950℃下采用盘条轧机将钛合金方棒轧制成Ф8.5~9.0mm的盘圆；
（3） 盘条机加工：将Ф8.5~9.0mm的盘圆通过无心车床进行扒皮，除去0.8mm-1mm 的表层金属，得到钛合金丝材；
（4） 丝材拉拔成形：拉拔温度750℃~950℃，拉拔速度5~25m/min，道次截面缩减率12~18%；
（5） 成品：将拉拔成形后丝材采用3度的内外锥角圆刃模去掉材料表面的润滑剂、氧化皮杂质层，拉制成表面光亮的成品丝材。
作为一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺的进一步优化，步骤（4）所述的丝材拉拔成形过程具体为：1）Ф8.0~5.0mm阶段：拉拔温度850℃~950℃，拉拔速度5~10m/min，道次截面缩减率12~18%；2）Ф5.0~2.0mm阶段：拉拔温度800℃~850℃，拉拔速度10~20m/min，道次截面缩减率12~18%；3）Ф2.0~0.8mm阶段：拉拔温度750℃~800℃，拉拔速度15~25m/min，道次截面缩减率12~18%。
作为一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺的进一步优化，步骤（4）所述的丝材拉拔全过程中采用石墨乳进行润滑，处理方法为：丝材进入管式加热炉前先通过石墨乳，经加热炉烘烤后石墨粉均匀涂覆与丝材表面。
与现有技术相比，本发明至少具有下述优点及有益效果：
本发明针对熔丝堆积快速成形技术特点，充分利用Al、Zr、Nb、Mo合金元素固溶强化及其对3D打印构件塑韧性（特别是冲击韧性）的影响机制，得到一种适用于制作780MPa 强度级电子束3D打印构件的钛合金丝材，该钛合金丝材直径可达0.8mm，采用本发明丝材打印的钛合金构件的抗拉强度Rm≥780MPa，延伸率A≥10%，KV2≥50J，满足船舶和海洋工程用具有良好强度和塑韧性匹配要求的3D打印构件的选材需要。
具体实施方式
为使本发明的内容更明显易懂，以下结合具体实施例，对本发明进行详细描述。
一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材，采用合金元素Al和Zr强化α相，采用合金元素Nb和Mo强化β相，合金成分及重量百分比为Al：6.0%～7.0%；Nb：2.2%～3.5%；Zr：1.3%～2.6%；Mo：0.6% ～1.5%；Fe≤0.25%，Si≤0.15%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.15%；余量为Ti。
该钛合金丝材适合于制作780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件，该电子束熔丝3D打印构件成型工艺参数为：电子枪加速电压150KV，聚焦电流2400mA，束流15mA，运动速度10mm/s，送丝方式为单丝，送丝速度30mm/s。
本发明成分范围内钛合金铸锭熔炼工艺如下：选用0~1级海绵钛作原料，合金元素Mo、Nb分别以Al-Mo、Al-Nb中间合金形式加入，Zr以纯金属形式加入，Al不足部分由纯Al补充。海绵钛与中间合金按合金成分进行配比，之后经混料机将原材料混合均匀。将混合均匀的原料用压机压制成电极，将若干支电极组焊在一起，组焊过程中采用氩气罩保护。将组焊好的电极经真空自耗电极电弧炉熔炼2~3次，制成Ф290mm合金锭。铸锭在切除冒口并车去表面缺陷后，进入钛合金丝材成形工序。钛合金丝材成形工艺：在1000℃~1200℃下采用压机对铸锭进行开坯，在950℃~1050℃下采用压机或锻锤对方坯进行改锻，在900℃~1000℃下将钛合金方坯锻造成截面50mm×50mm的方棒。在850℃~950℃下采用盘条轧机将钛合金方棒轧制成Ф8.5~9.0mm的盘圆。将Ф8.5~9.0mm的盘圆通过无心车床进行扒皮，除去0.8mm-1mm 的表层金属，得到光亮的、除去表面氧化皮的钛合金丝材。丝材拉拔：（1）Ф8.0~5.0mm阶段：拉拔温度850℃~950℃，拉拔速度5~10m/min，道次截面缩减率12~18%；（2）Ф5.0~2.0mm阶段：拉拔温度800℃~850℃，拉拔速度10~20m/min，道次截面缩减率12~18%；（3）Ф2.0~0.8mm阶段：拉拔温度750℃~800℃，拉拔速度15~25m/min，道次截面缩减率12~18%。丝材拉拔全过程中采用石墨乳进行润滑，处理方法：丝材进入管式加热炉前通过石墨乳，经加热炉烘烤后石墨粉均匀涂覆与丝材表面。将Φ0.9mm丝材采用3度的内外锥角圆刃模去掉材料表面的润滑剂、氧化皮杂质层，制成Φ0.8mm成品丝材。然后采用本发明的钛合金丝材进行电子束3D打印堆积工艺，得到长200mm、宽150mm、高100mm的堆积实验料，采用线切割切取Φ10.5mm圆棒和10mm×10mm 方棒加工标准拉伸试样和冲击试样。
按照表1成分配制五个合金，用本发明的铸锭熔炼和丝材成形工艺制成3D打印用丝材，用该五个实施例检验其成分和热加工性能，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。
表1：实施例的合金成分
表2是与表1实施例对应的电子束3D打印构件的性能数据。从表2可以看到，采用本发明成分范围内的钛合金丝材，电子束3D打印堆积材料强度可以在790~810MPa之间，拉伸延伸率在11%~13%之间，冲击韧性（KV2）57.5~65.5J之间。电子束熔丝3D打印件强度和塑韧性匹配良好，满足海洋工程领域电子束3D打印结构件的性能需要。
表2：3D打印构件材料的力学性能
。

Claims (4)

1.一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材，其特征在于：采用合金元素Al和Zr强化α相，采用合金元素Nb和Mo强化β相，合金成分及重量百分比为Al：6.0%～7.0%；Nb：2.2%～3.5%；Zr：1.3%～2.6%；Mo：0.6% ～1.5%；Fe≤0.25%，Si≤0.15%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.15%；余量为Ti；
所述的钛合金经以下步骤熔炼制成：Ti以海绵钛的形式加入，合金元素Mo、Nb分别以Al-Mo、Al-Nb中间合金形式加入，Zr以纯金属形式加入，Al不足部分由纯Al补充；原材料经混合机混合均匀后制成电极，电极在氩气罩保护下组焊在一起，然后经真空熔炼2-3次，制成合金锭，再对合金锭进行切除冒口，采用车床进行扒皮处理，制得钛合金光锭。
2.如权利要求1所述的一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺，其特征在于：包括以下步骤：
铸锭锻造：在1000℃~1200℃下采用压机对钛合金光锭进行开坯，得到方坯；在950℃~1050℃下采用压机或锻锤对方坯进行改锻，再在900℃~1000℃下将钛合金方坯锻造成截面50mm×50mm的方棒；
盘条轧制：在850℃~950℃下采用盘条轧机将钛合金方棒轧制成Ф8.5~9.0mm的盘圆；
盘条机加工：将Ф8.5~9.0mm的盘圆通过无心车床进行扒皮，除去0.8mm-1mm 的表层金属，得到钛合金丝材；
丝材拉拔成形：拉拔温度750℃~950℃，拉拔速度5~25m/min，道次截面缩减率12~18%；
成品：将拉拔成形后丝材采用3度的内外锥角圆刃模去掉材料表面的润滑剂、氧化皮杂质层，拉制成表面光亮的成品丝材。
3.权利要求2所述的一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺，其特征在于：步骤（4）所述的丝材拉拔成形过程具体为：1）Ф8.0~5.0mm阶段：拉拔温度850℃~950℃，拉拔速度5~10m/min，道次截面缩减率12~18%；2）Ф5.0~2.0mm阶段：拉拔温度800℃~850℃，拉拔速度10~20m/min，道次截面缩减率12~18%；3）Ф2.0~0.8mm阶段：拉拔温度750℃~800℃，拉拔速度15~25m/min，道次截面缩减率12~18%。
4.权利要求2所述的一种780MPa 强度级电子束熔丝3D打印构件用钛合金丝材的成形工艺，其特征在于：步骤（4）所述的丝材拉拔全过程中采用石墨乳进行润滑，处理方法为：丝材进入管式加热炉前先通过石墨乳，经加热炉烘烤后石墨粉均匀涂覆与丝材表面。
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