CN109195738A - 用于增材制造钛合金的多材料线材 - Google Patents

用于增材制造钛合金的多材料线材 Download PDF

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Abstract

公开了用于电子束或等离子体电弧增材制造钛合金的线材。所述线材具有包含第一材料的第一部分及包含第二材料的第二部分。所述第一材料和第二材料的组合得到具有适当组成的钛合金产物。

Description

用于增材制造钛合金的多材料线材
技术领域
背景技术
Ti-6Al-4V是使用最广泛的钛合金之一。Ti-6A-4V是含有6wt.％Al和4wt.％V的α-β型钛合金。Ti-6Al-4V以其强度、韧度及防腐蚀性的良好组合为人所知。
发明内容
大体上说，本公开涉及用于增材制造钛合金，如采用电子束和/或等离子体电弧辐射源的增材制造技术的新颖多材料线材。
在一种方法中，提供了用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材。在这一方法中，所述线材可以包括外管部分和包含在所述外管部分内的一定体积的颗粒。所述外管部分包含第一材料或第二材料，并且所述体积的颗粒相对于所述外管部分一般包含所述第一材料和所述第二材料中的另一种。在一个实施方案中，所述第二材料至少包含钛。在一个实施方案中，所述第二材料包括含铝的钛合金。在一个实施方案中，所述第二材料是选自由以下组成的组的钛合金：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr、Ti-3Al-2.5V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo及Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo。在一个实施方案中，所述第一材料包含与钛形成合金的元素，如铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬及铁等中的一种或多种。在一个实施方案中，所述第一材料选自由以下组成的组：铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬、铁及其组合。在一个实施方案中，所述第一材料包含铝或铝合金。在一个实施方案中，所述第一材料包含元素铝或1xxx合金。在一个实施方案中，所述第一材料基本上不含钛。所述第一材料与第二材料组合的组成一般足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。例如，所述线材可以包括足量的所述第一材料和所述第二材料以获得最终钛合金产物的目标组成。在一个实施方案中，所述第一材料是1xxx铝合金并且所述第二材料是Ti-6Al-4V。
在另一种方法中，提供了用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材，所述线材包括第一细长外管和安置于所述第一细长外管内的第二细长内管。所述第一细长外管一般包含第一材料或第二材料，并且所述第二细长内管相对于所述第一细长外管一般包含所述第一材料和所述第二材料中的另一种。在一个实施方案中，所述第二材料至少包含钛。在一个实施方案中，所述第二材料包括含铝的钛合金。在一个实施方案中，所述第二材料是选自由以下组成的组的钛合金：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr、Ti-3Al-2.5V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo及Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo。在一个实施方案中，所述第一材料包含与钛形成合金的元素，如铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬及铁等中的一种或多种。在一个实施方案中，所述第一材料选自由以下组成的组：铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬、铁及其组合。在一个实施方案中，所述第一材料包含铝或铝合金。在一个实施方案中，所述第一材料包含元素铝或1xxx合金。在一个实施方案中，所述第一材料基本上不含钛。所述第一材料与第二材料组合的组成一般足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。例如，所述线材可以包括足量的所述第一材料和所述第二材料以获得最终钛合金产物的目标组成。在一个实施方案中，所述第一材料是1xxx铝合金并且所述第二材料是Ti-6Al-4V。
在另一种方法中，提供了用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材，所述线材包括第一纤维和与所述第一纤维缠结的第二纤维。所述第一纤维一般包含第一材料，并且所述第二纤维一般包含不同于所述第一材料的第二材料。在一个实施方案中，所述第二材料至少包含钛。在一个实施方案中，所述第二材料包括含铝的钛合金。在一个实施方案中，所述第二材料是选自由以下组成的组的钛合金：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr、Ti-3Al-2.5V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo及Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo。在一个实施方案中，所述第一材料包含与钛形成合金的元素，如铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬及铁等中的一种或多种。在一个实施方案中，所述第一材料选自由以下组成的组：铝、锡、钼、铌、钒、锆、铬、铁及其组合。在一个实施方案中，所述第一材料包含铝或铝合金。在一个实施方案中，所述第一材料包含元素铝或1xxx合金。在一个实施方案中，所述第一材料基本上不含钛。所述第一材料与所述第二材料组合的组成一般足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。例如，所述线材可以包括足量的所述第一材料和所述第二材料以获得最终钛合金产物的目标组成。在一个实施方案中，所述第一材料是1xxx铝合金并且所述第二材料是Ti-6Al-4V。
还公开了使用上文所描述的线材的方法。在一个实施方案中，方法包括使用辐射源将上文所描述的线材中的任一种加热到超过待形成的钛合金主体的液相点，由此产生熔池，并以至少1000℃/秒的冷却速率冷却所述熔池。这些步骤可以根据需要重复(例如在增材制造过程中)，直至完成最终钛合金产物。
附图说明
图1a是使用电子束增材制造法制造钛合金主体的一个实施方案的示意图。
图1b示出了可用于图1a的电子束实施方案的线材的一个实施方案，所述线材具有细长外管部分和包含在细长外管部分内的一定体积的颗粒。
图1c-1f示出了可用于图1a的电子束实施方案的线材的实施方案，所述线材具有细长外管部分和至少一个第二细长内管部分。图1c和1e是线材的示意性侧视图，并且图1d和1f分别是图1c和1e的线材的示意性俯视图。
图1g示出了可用于图1a的电子束实施方案的线材的一个实施方案，所述线材具有至少第一和第二缠结的纤维，其中所述第一和第二纤维具有不同组成。
具体实施方式
现参看图1a-1b，示出了多材料线材的一个实施方案。在所示出的实施方案中，多材料线材(25)是具有细长外管部分和包含在所述细长外管部分内的一定体积的颗粒的粉芯线材(200)。所述细长外管部分一般包含第一材料或第二材料，并且所述体积的颗粒一般包含所述第一材料或所述第二材料中的另一种，所述第二材料不同于所述第一材料。例如，如果所述细长外管部分包含所述第一材料，则所述体积的颗粒包含所述第二材料。另一方面，如果所述细长外管部分包含所述第二材料，则所述体积的颗粒包含所述第一材料。在任何情况下，所述第一材料与第二材料的组成一般足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。例如，所述第一材料可以包含铝并且所述第二材料可以包含钛，如含铝的钛合金。在增材制造过程中，从送线器枪(50)的送线器部分(55)朝向构造基底馈送线材(25)。电子束(75)或其它适合的辐射源将线材(25)加热到超过待形成的钛合金主体的液相点，由此形成熔池，随后使所述熔池迅速凝固(例如≥1000℃/秒)以形成沉积的钛合金材料(100)。这些步骤可以根据需要重复，直至制造出最终钛合金主体。在此类增材制造工艺期间，高温可能因熔池中铝的高分压而使部分铝汽化。不过，由细长外管部分供应的额外铝至少部分地补充/替代汽化的铝，由此有助于获得沉积的钛合金材料(100)的目标组成。
如上所述，所述线材包含足量的第二材料以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物，并且所述第二材料一般包含钛。在一种方法中，所述第二材料是钛合金。在一个实施方案中，所述第二材料是含铝的钛合金。在一个实施方案中，所述第二材料选自由以下组成的组：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr、Ti-3Al-2.5V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo及Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo。在一个实施方案中，所述第二材料是Ti-6Al-4V。
如上所述，所述线材包含足量的第一材料以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物，并且所述第一材料一般包含铝。在一个实施方案中，所述第一材料基本上不含钛。在一个实施方案中，所述第一材料是如铝业协会(Aluminum Association)所定义的1xxx铝合金，即，包含至少99.0wt.％Al的材料。在另一个实施方案中，所述第一材料包含至少一种第二元素以有助于在增材制造结束时获得目标钛合金组成。在一个实施方案中，所述至少一种第二元素选自以下各物的组：钒(V)、锡(Sn)、钼(Mo)、锆(Zr)、铌(Nb)、铬(Cr)、铁(Fe)及其组合，其中所述第一材料包含足量的铝和至少一种有助于在增材制造结束时获得目标钛合金组成的第二元素。
如本文所使用，“增材制造”意思指“根据3D模型数据接合材料以制备物品的工艺，通常是逐层进行，与减材制造方法相对”，如题为“增材制造技术的标准术语(StandardTerminology for Additively Manufacturing Technologies)”的ASTM F2792-12a中所定义，该方法适用于线材的使用。在一个实施方案中，增材制造工艺使用了电子束熔化(Electron Beam Melting，EBM)。在一个实施方案中，增材制造工艺使用了从EOS GmbH(Robert-Stirling-Ring 1,82152 Krailling/德国慕尼黑(Munich,Germany))获得的EOSINT M 280直接金属激光烧结(DMLS)增材制造系统，或类似的系统。
增材制造工艺中使用的线材(25)可以包括适当体积的第一材料和第二材料以在增材制造结束时获得目标钛合金组成。就这一点来说，细长外管的厚度和/或颗粒的体积可以是定制的。
在另一个实施方案中，并且现参看图1c-1d，线材(25a)是具有第一细长外管部分(600)和至少一个第二细长内管部分(610)的多管线材。第一部分(600)包含第一材料或第二材料，并且第二部分(610)包含第一材料或第二材料中的另一种。线材(25a)可以包括中空芯(620)，如图所示，或可以包括固体芯或可以包括存在于芯内的一定体积的颗粒，如上文关于图1a-1b所述。在任何情况下，所述芯中第一材料、第二材料及任何材料的共同组成使得在沉积之后，获得沉积的钛合金材料(100)的目标组成。第一材料和第二材料可以是以上关于图1a-1b描述的第一材料和第二材料中的任一种。另外，如图1e-1f中所示，线材(25b)可以包括多个细长管(例如管600-610和630-650)，其各自具有适当组成和厚度，以使钛合金产物具有适当最终组成。如上文关于图1c-1d所述，芯(620)可以是中空芯(620)，如图所示，或可以包括固体芯或可以包括存在于芯内的一定体积的颗粒，如上文关于图1a-1b所述。
在另一个实施方案中，并且现参看图1g，线材(25c)是一种多纤维线材，其具有第一纤维(700)和至少一种与第一线材(100)缠结的第二纤维(710)。第一纤维(700)包含第一材料，并且第二部分(710)包含第二材料。第一材料和第二材料的共同组成使得在沉积之后，获得沉积的钛合金材料(100)的目标组成。
在未示出的另一个实施方案中，电子束(EB)或等离子体电弧增材制造设备可以采用多个不同线材，任选地利用相应的多种不同辐射源，所述线材和源各自在适当时被馈送并激活，以使沉积的钛合金材料(100)具有目标组成。
虽然已详细描述了本文所描述的新技术的各种实施方案，但显而易见，本领域技术人员将想到那些实施方案的修改和改编。不过，应明确地理解，此类修改和改编在本公开技术的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材，所述线材包含：
包含第一材料的外管部分，所述第一材料至少包含铝；以及
包含在所述外管部分内的一定体积的颗粒，所述体积的颗粒是第二材料，其中所述第二材料不同于所述第一材料并且至少包含钛；
其中所述第一材料和所述第二材料的组成足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。
2.一种用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材，所述线材包含：
(a)第一细长外管；
(i)其中所述第一细长外管包含第一材料或第二材料，
(b)安置于所述第一细长外管内的第二细长内管；
(i)其中所述第二细长内管相对于所述第一细长外管包含所述第一材料和所述第二材料中的另一种；
其中所述第一材料至少包含铝；
其中所述第二材料不同于所述第一材料并且至少包含钛；
其中所述第一材料和所述第二材料的组成足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。
3.一种用于电子束或等离子体电弧增材制造的线材，所述线材包含：
(a)第一纤维；
(i)其中所述第一纤维包含第一材料，所述第一材料至少包含铝；
(b)与所述第一纤维缠结的第二纤维；
(i)其中所述第二纤维包含第二材料；
(ii)其中所述第二材料不同于所述第一材料并且至少包含钛；
其中所述第一材料和所述第二材料的组成足以在所述线材用于增材制造中时制造出钛合金产物。
4.一种制备钛合金产物的方法，所述方法包含：
(a)使用辐射源将根据权利要求1至3中任一项所述的线材加热到超过待形成的钛合金主体的液相点，由此产生熔池；
(b)以至少1000℃/秒的冷却速率冷却所述熔池；并且
(c)重复步骤(a)-(b)，直至完成所述钛合金产物。
5.根据权利要求5所述的线材，其中所述第二材料包括含铝的钛合金。
6.根据权利要求6所述的线材，其中所述第二材料是选自由以下组成的组的钛合金：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-7Al-4Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr、Ti-3Al-2.5V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo及Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的线材，其中所述第一材料是1xxx铝合金。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的线材，其中所述第一材料包含足量的所述铝以及获得所述钛合金产物的目标组成的任何第二元素。
9.根据权利要求8所述的线材，其中所述第二元素选自以下各物的组：钒(V)、锡(Sn)、钼(Mo)、锆(Zr)、铌(Nb)、铬(Cr)、铁(Fe)及其组合。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的线材，其中所述第一材料基本上不含钛。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的线材，其中所述第一材料是1xxx铝合金且其中所述第二材料是Ti-6Al-4V。
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