CN109689906A - 用于3d印刷的定制钛合金及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有增强强度的Ti‑6Al‑4V钛粉合金组合物，所述增强强度是不需要增加氧含量下添加下列元素中的一种或多种而得到的：铝，铁，氮，碳；所述组合物也可用于Ti‑6Al‑4V钛合金起始棒料。

Description

用于3D印刷的定制钛合金及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年5月18日提交的名为“用于3D印刷的定制钛合金”的美国申请号62/338,018的优先权。
背景技术
I.发明领域
3D印刷技术已经发展至聚合物基材料系统的主流制造中，并引起了基于计算机的制造业革命。聚合物基3D制造的成熟始于基础印刷技术和现有的聚合物配方。随其成熟，技术和聚合物配方协同发展以提供所需的性能。金属基3D印刷相对较不成熟，但其开始进入快速增长期。金属印刷技术主要窄化为基于电子束的粉末床(powder-bed)印刷系统，以及激光直接熔化(laser direct melt)和粘合剂(binder-jet)喷射技术。由于处于成熟的早期阶段，很少有进行合金组合物的定制以优化3D制造部件的整体性能。在得到应用的合金中，例如钛等耐火合金在此方面是最不成熟的。
II.现有技术
难题：
钛零件的所有三种主要3D制造方法的主要成本来自钛粉的成本。因此，钛粉的有效使用对于该产品在市场上的成功扩张而言至关重要。粉末床印刷方法利用了构建盒，组件在构建盒中由粉末逐层构建。在完成时，构建盒中充满粉末，并且所生产的组件在填充有粉末的该盒内。印刷后，从部件周围除去松散的粉末，并在部件上进行精加工。由于构建箱中只有一小部分粉末被合并至部件中，过量的高成本粉末需要得到重复使用。
在应用于钛合金的三种主要3D印刷方法中，基于电子束和激光熔化的直接熔化技术代表了钛部件制造的大部分，但过量的钛粉在过程中的每个循环中都受到氧吸收的影响。最常用于钛部件的合金是Ti-6Al-4V，等级5，其最大允许的氧含量为0.2wt％(重量百分比)。因此，制造商希望粉末中的氧含量尽可能的低，以便在氧含量超过规格界限之前实现粉末的最大重复使用次数。
与此同时，3D印刷的Ti-6Al-4V部件的客户需要最大的机械抗拉强度。获得高强度Ti-6Al-4V部件的典型方法是将氧含量增加至接近Ti-6Al-4V 5级规格的上限。这必然导致了最小再使用循环次数，因其氧含量将迅速超过规格所允许的含量。以上的难题造就了对定制的Ti-6Al-4V粉末合金组合物的需求以与Ti-6Al-4V 5级组合物竞争，并在获得高强度的同时具有较低的初始氧含量以允许最大次数的再使用循环。
发明内容
解决方案：
对Ti-6Al-4V 5级合金的ASTM B348 5级规格的回顾揭示出该合金规格中的其他强度增强元素，其可用于非氧依赖地增强强度。
表1所示为Ti-6Al-4V 5级合金的标准组成规格。氧通常用于增强强度，因其很容易，且作为单一元素，氧通常对强度的影响最大。影响强度的其他元素包括：铝、铁、氮和碳，每种都对强度有积极影响。这些元素不会受到3D印刷过程的显著影响，且其组合可以获得与氧增强相同的强度增强效果。
具体实施方式
表2所示为具有铝、铁、氮和碳组成范围的Ti-6Al-4V钛粉合金的规格，当组合时，其在所述合金中可提供所需的强度增强且无较高的初始氧含量。因此，用这种Ti-6Al-4V组合物生产的3D印刷的Ti-6Al-4V部件的基线强度将类似于具有更高氧的Ti-6Al-4V和5级部件的基线强度，但其具有所需的低氧含量以获得最大的再使用次数。强度将随着粉末在重复使用的过程中吸收氧气而进一步提高，从而总体上具有更高的测强曲线(strengthcurve)和显著更低的生产成本。
表1.如ASTM B348 5级规格中所定义的Ti-6Al-4V合金的组成
表2.Ti-6Al-4V增强强度钛合金的组成
下表列出了配制用于生产增强强度的Ti-6Al-4V粉末的起始棒料的化学分析结果。
表3.Ti-6Al-4V增强强度钛合金起始棒料的组成
元素 重量百分比(wt％)
铝 6.44
钒 4.28
铁 0.20
氧 0.09
氮 0.04
碳 0.05
氢 0.002
钇 小于0.001
钛 余量
下表给出了通过实验确定的该起始原料的室温下抗拉性能(tensile property)，该原料同时具有ASTM B348 5级所需的最低性能。
表4增强强度钛合金起始棒料的室温下性能
如表4所示，增强的Ti-6Al-4V的室温下抗拉性能满足ASTM B348 5级规格的性能要求，尽管其氧含量远低于5级产品的典型氧含量。将该起始原料转化为粉末时将导致氧含量的小幅增加，这将进一步增加强度且基本上不会损害延展性。
虽然本文已结合目前被认为是最实用和优选的实施例对本发明进行了描述，但应当理解的是，本发明不限于本文所公开的实施例，而是相反地旨在涵盖各种实施例，以及在所附权利要求的精神和范围内所包括的修改和等同设置。

Claims (18)

1.一种增强强度的Ti-6Al-4V钛粉合金，所述合金具有以下以重量百分比计的组分：
铝：6.3至6.7％，
钒：4.2至4.5％，
铁：0.25至0.4％，
氧：0.1至0.13％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％，
氢：0至0.0125％，
其他元素：0至0.4％，
钛：余量。
2.一种具有增强强度的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，所述增强强度是由向所述组合物中添加以下元素组合而得到的：
铝，
铁，
氮，
碳。
3.如权利要求2所述的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，其中所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.25至0.4％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
4.一种具有增强强度的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，所述增强强度是由添加以下元素的一种或多种而得到的：
铝，
铁，
氮，
碳。
5.如权利要求4所述的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，其中所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.25至0.4％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
6.如权利要求3所述的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，所述组合物具有重量百分比为0.1％至0.13％的氧成分。
7.如权利要求5所述的Ti-6Al-4V钛粉合金组合物，所述组合物具有重量百分比为0.1％至0.13％的氧成分。
8.一种增强强度的Ti-6Al-4V钛合金起始棒料，所述棒料具有如下以重量百分比计的组分：
铝：6.44％，
钒：4.28％，
铁：0.20％，
氧：0.09％，
氮：0.04％，
碳：0.05％，
氢：0.002％，
钇：小于0.001，
钛：余量。
9.一种具有增强强度的Ti-6Al-4V钛合金起始棒料，所述增强强度是由添加以下元素组合而得到的：
铝，
铁，
氮，
碳。
10.如权利要求9所述的Ti-6Al-4V钛合金起始棒料，其中所述元素的重量百分比如下：
铝：6.44％，
铁：0.20％，
氮：0.04％，
碳：0.05％。
11.一种具有增强强度的Ti-6Al-4V钛合金起始棒料，所述增强强度是由不需要增加氧含量的情况下添加以下元素的一种或多种而得到的：
铝，
铁，
氮，
碳。
12.如权利要求11所述的Ti-6Al-4V钛合金起始棒料，其中所述元素的重量百分比如下：
铝：6.44％，
铁：0.20％，
氮：0.04％，
碳：0.05％。
13.一种不增加氧含量的情况下增加Ti-6Al-4V钛合金粉末或起始棒料的强度的方法，所述方法包括向所述粉末或所述起始棒料中添加如下元素组合：
铝，
铁，
氮，
碳。
14.如权利要求13所述的方法，其中对于所述粉末的所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.25至0.4％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
15.如权利要求13所述的方法，其中对于所述棒料的所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.15至0.30％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
16.一种不增加氧含量的情况下增加Ti-6Al-4V钛合金粉末或起始棒料的强度的方法，所述方法包括向所述粉末或所述起始棒料中添加以下元素的一种或多种：
铝，
铁，
氮，
碳。
17.如权利要求16所述的方法，其中对于所述粉末的所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.25至0.4％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
18.如权利要求16所述的方法，其中对于所述棒料的所述元素的重量百分比如下：
铝：6.3至6.7％，
铁：0.15至0.30％，
氮：0.02至0.05％，
碳：0.04至0.08％。
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