CN107841654A - 一种增材制造用含硼钛合金粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造用含硼钛合金粉末及其制备方法，属于钛合金材料技术领域。按重量百分含量计，该粉末化学成分为：Al 4.5～5.5％，V3.5～4.5％，B 0.05～1％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。按照所需合金成分进行配料，硼化钛与海绵钛等原料混合均匀后压制成电极，经过真空自耗熔炼成铸锭，锻造成棒材后，采用无坩埚感应熔化气体雾化法制备成钛合金粉末。对采用含硼元素钛合金粉末制造的构件组织性能检测结果显示，与现有的Ti‑6Al‑4V粉末相比，通过添加硼元素可以显著弱化增材制造过程由于温度梯度导致的柱状晶，同时可以细化晶粒，提高材料的力学性能。

Description

一种增材制造用含硼钛合金粉末及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钛合金材料技术领域，具体涉及一种增材制造用含硼钛合金粉末及其制备方法，该合金粉末应用于增材制造，具体应用于航空、航天、医疗等领域。
背景技术：
钛合金由于密度低、比强度高、耐腐蚀性能优良等优点，在航空航天、医疗等领域有着非常重要的应用。TC4(Ti-6Al-4V)是最为广泛应用一种钛合金，其在航空工业领域主要用于制造发动机的风扇和压气机盘及叶片，以及飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件，在医疗领域主要用于植入器械。然而传统的锻造和机械加工等方法具有加工周期长、加工成本高、材料利用低、部分复杂构件无法加工的劣势，一定程度地制约了相关领域的发展。增材制造技术(3D打印)采用计算机设计数字化模型，通过计算机控制，将材料逐层累加成型，最终实现具有三维结构的实体零部件制造，其材料利用率可达90％以上，该技术在航空航天、汽车、模具、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
欧美等发达国家将其作为“再工业化”、“重新夺回制造业”、“重振经济”的国家战略，我国在《中国制造2025》规划中将该技术列入重点发展方向。目前国内外在增材制造钛合金构件的设备、工艺、材料、性能及应用方面均开展了相关研究工作，但由于成型过程温度梯度的影响，成型合金组织呈现柱状晶组织、晶粒粗大，导致性能稳定性差、存在各向异性。成为限制该技术发展的影响因素，如何消除增材制造的柱状晶组织特征也是目前国内外研究的热点。而钛合金粉末是增材制造技术的原材料，其成分是影响成型构件组织与性能的主要因素。因此，从钛合金粉末原料出发，研究消除增材制造的柱状晶组织为重要的研发方向之一。
发明内容：
为了解决现有技术中存在的增材制造钛合金的柱状晶组织特征，本发明的目的在于提供一种增材制造用含硼钛合金粉末及其制备方法，相比于传统的TC4合金粉末，采用本发明中的钛合金粉末，可以显著弱化增材制造钛合金构件的柱状晶组织特征，并可提高材料的力学性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种增材制造用含硼钛合金粉末，按重量百分含量计，该钛合金粉末的化学成分为：Al 5.5～6.5％，V 3.5～4.5％，B 0.045～1％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
该钛合金粉末中，Al元素含量优选为6.0～6.3wt.％，V元素含量优选为 3.9～4.2wt.％，B元素含量优选为0.1～1.0wt.％。
该钛合金粉末的杂质元素中，N<0.01wt.％，H<0.01wt.％，O<0.1wt.％。
所述含硼钛合金粉末中，硼元素呈弥散分布。
上述含硼钛合金粉末的制备方法为：首先制备钛合金棒材，然后采用无坩埚电极感应熔化气体雾化技术(EIGA法)制备成所述钛合金粉末。该方法具体包括如下步骤：
(1)铸锭熔炼：按所需合金成分配料，然后将合金原料混合均匀后压制成电极，经过真空自耗熔炼成合金铸锭；其中：B元素的原料为硼化钛合金(TiB2)，Al元素的原料为纯铝和铝钒中间合金(AlV)，V元素的原料为铝钒中间合金(AlV)，Ti元素的原料为海绵钛和硼化钛合金(TiB2)。
(2)棒材制备：采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成钛合金棒材；制备过程具体为：首先采用快锻机，锻造温度为1050～1150℃，锻造成直径110～120mm的棒材；然后采用径锻机，锻造温度为950～970℃，锻造成直径40～50mm棒材。
(3)粉末制备：按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末。
本发明有益效果如下：
1、本发明的含硼钛合金粉末的成分与传统的TC4钛合金相比，增加了硼元素，该元素通过预合金化方式加入，可以保证硼元素均匀。
2、本发明的含硼钛合金粉末应用于增材制造钛合金构件，制造的钛合金构件组织特征为：随着硼元素含量的提高，柱状晶的特性逐渐弱化、消失，在通过增材制造工艺无法消除该组织特征的情况下，本发明通过成分调控消除柱状晶组织。
3、与传统TC4钛合金粉末相比，采用本发明的含硼钛合金粉末制造的钛合金构件性能显著提高，成型合金的拉伸强度比传统TC4钛合金构件可以提高200MPa以上。
附图说明：
图1为对比例1和实施例1-3合金粉末增材制造钛合金试样。
图2为采用对比例1合金粉末增材制造钛合金的显微组织。
图3为采用实施例1合金粉末增材制造钛合金的显微组织。
图4为采用实施例2合金粉末增材制造钛合金的显微组织。
图5为采用实施例3合金粉末增材制造钛合金的显微组织。
图6为对比例1和实施例1-3合金粉末增材制造钛合金的室温拉伸性能。
具体实施方式：
以下结合附图详述本发明。
以下实施例中，无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末的过程为：钛合金熔炼-棒材锻造-电极加工-雾化制粉-粉末处理。
以下实施例中，采用钛合金粉末进行增材制造的关键工艺参数为：激光功率1800W，扫描速度10m/s，成型层厚0.5mm。
下面结合具体实施例对本发明的含硼钛合金粉末作进一步的说明。
对比例1
本例中钛合金粉末配方为：Al 6.00wt％，V 4.00wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；粉末制备过程为：将原料海绵钛、AlV中间合金和Al豆按照成分配比均匀混合后压制成电极，进行3次真空自耗熔炼得到铸锭，采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成棒材，锻造工艺如下：锻造温度1050～1150 ℃，锻造设备：快锻机，锻造成直径110～120mm的棒材；锻造温度950～970 ℃，锻造设备：径锻机，锻造成直径40～50mm棒材；按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末，合金粉末成分见表1。通过激光增材制造工艺制备成钛合金试样(图1)，本例的显微组织如图2所示，本例的粉末未添加硼元素，为对比试样，从图2可以看出该例的合金组织仍为典型的柱状晶组织，成型合金的拉伸强度为855MPa(图6)。
表1对比例1及实施例1-3合金粉末的实测成分。
实施例1
本实施例中钛合金粉末配方为：Al 6.00wt％，V 4.00wt％，B 0.05wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；粉末制备过程为：将原料海绵钛、AlV中间合金、TiB2和Al豆按照成分配比均匀混合后压制成电极，进行3次真空自耗熔炼得到铸锭，采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成棒材，锻造工艺如下：锻造温度1050～1150℃，锻造设备：快锻机，锻造成直径110～120mm的棒材；锻造温度950～970℃，锻造设备：径锻机，锻造成直径40～50mm棒材；按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末，合金粉末成分见表1。通过激光增材制造工艺制备成钛合金试样(外观同对比例1)，本实施例的显微组织如图3所示，本实施例的粉末添加了0.05％的硼元素，从图3可以看出添加硼元素后组织中的原始β晶粒显著细化，柱状晶有一定的弱化，成型合金的拉伸强度为900MPa(图6)。
实施例2
本实施例中钛合金粉末配方为：Al 6.00wt％，V 4.00wt％，B 0.5wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；粉末制备过程为：将原料海绵钛、AlV中间合金、TiB2和Al豆按照成分配比均匀混合后压制成电极压制电极，进行3 次真空自耗熔炼得到铸锭，采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成棒材，锻造工艺如下：锻造温度1050～1150℃，锻造设备：快锻机，锻造成直径 110～120mm的棒材；锻造温度950～970℃，锻造设备：径锻机，锻造成直径40～50mm棒材；按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末，合金粉末成分见表1。通过激光增材制造工艺制备成钛合金试样(外观同对比例1)，本实施例的显微组织如图4所示，本实施例的粉末添加了0.5％的硼元素，从图4可以看出硼元素含量提高到0.5％后，组织中的原始β晶粒消失，柱状晶消失，成型合金的拉伸强度为1025MPa(图6)。
实施例3
本实施例中钛合金粉末配方为：Al 6.00wt％，V 4.00wt％，B 1wt％，余量为Ti和不可避免的杂质；粉末制备过程为：将原料海绵钛、AlV中间合金、TiB2和Al豆按照成分配比均匀混合后压制成电极，进行3次真空自耗熔炼得到铸锭，采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成棒材，锻造工艺如下：锻造温度1050～1150℃，锻造设备：快锻机，锻造成直径110～120mm的棒材；锻造温度950～970℃，锻造设备：径锻机，锻造成直径40～50mm棒材；按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末，合金粉末成分见表1。通过激光增材制造工艺制备成钛合金试样(外观同对比例1)，本实施例的显微组织如图5所示，本实施例的粉末添加了1％的硼元素，从图5可以看出组织中的柱状晶消失，成型合金的拉伸强度超过1100MPa(图6)。

Claims (10)

1.一种增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金粉末的化学成分为：Al 5.5～6.5％，V 3.5～4.5％，B 0.045～1％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：该钛合金粉末中，Al为6.0～6.3wt.％。
3.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：该钛合金粉末的化学成分中，V为3.9～4.2wt.％。
4.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：该钛合金粉末的化学成分中，B为0.1～1.0wt.％。
5.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：该钛合金粉末的杂质元素中，N<0.01wt.％，H<0.01wt.％，O<0.1wt.％。
6.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末，其特征在于：所述含硼钛合金粉末中，硼元素弥散分布。
7.根据权利要求1所述的增材制造用含硼钛合金粉末的制备方法，其特征在于：该方法首先制备钛合金棒材，然后采用无坩埚电极感应熔化气体雾化技术制备成所述钛合金粉末。
8.根据权利要求7所述的增材制造用含硼钛合金粉末的制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
(1)铸锭熔炼：按所需合金成分配料，然后将合金原料混合均匀后压制成电极，经过真空自耗熔炼成合金铸锭；
(2)棒材制备：采用快锻机及径锻机将铸锭锻造成钛合金棒材；
(3)粉末制备：按照雾化制粉电极的尺寸，将直径40～50mm的棒材加工成电极，采用无坩埚感应熔化气体雾化技术制备成钛合金粉末。
9.根据权利要求8所述的增材制造用含硼钛合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，B元素的原料为硼化钛合金，Al元素的原料为纯铝和铝钒中间合金，V元素的原料为铝钒中间合金，Ti元素的原料为海绵钛和硼化钛合金。
10.根据权利要求8所述的增材制造用含硼钛合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤(2)棒材制备过程为：首先采用快锻机，锻造温度为1050～1150℃，锻造成直径110～120mm的棒材；然后采用径锻机，锻造温度为950～970℃，锻造成直径40～50mm棒材。
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