CN110496960A

CN110496960A - 一种增材制造用金属粉末

Info

Publication number: CN110496960A
Application number: CN201910811099.6A
Authority: CN
Inventors: 郭明海
Original assignee: Laser Technology Development (beijing) Co Ltd
Current assignee: Xinjinghe Laser Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110496960B

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种增材制造用金属粉末，该金属粉末包括钛合金金属粉末和活性粉末，其中所述活性粉末占所述钛合金金属粉末质量的0.1wt％～0.3wt％，所述活性粉末为磷铁粉、B、Sr和Bi中的一种或多种，可消除钛合金激光沉积过程中的未熔合、缩孔、缩松等缺陷，制造的钛合金构件内部组织均匀致密、强度较高。

Description

一种增材制造用金属粉末

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造用金属粉末。

背景技术

激光沉积增材制造技术(Laser Melt Deposition，LMD))是以高功率高亮度的激光为热源，粉末同步送进的方式，将待熔粉末直接送入高能束激光产生的熔池中，由机床或机器人引导高能束激光逐层按轨迹行走，层层堆积最终成型出三维立体金属零部件。激光沉积增材制造可以精确控制能量输入、光斑直径(熔道宽度)、成形方式、扫描路径和层厚，实现任意复杂形状金属零件的成型制造。对于需求轻量化、高效、高可靠性的航空航天用形状复杂的薄壁构件，采用传统钛合金锻件制造，机械加工余量大，制造成本高，制造周期长，且需要专用锻造模具。激光沉积增材制造技术可实现大型复杂薄壁构件的短流程、低成本、快速一体成型。

但是，目前在激光沉积增材制造高温和高强韧等类型钛合金构件时，存在粉末熔合效果差以及沉积孔洞的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中钛合金构件激光沉积增材制造过程中存在钛合金金属粉末熔合效果差、存在沉积孔洞的问题，进而提供一种增材制造用金属粉末。

本发明提供一种增材制造用金属粉末，包括钛合金金属粉末和活性粉末，其中所述活性粉末占所述钛合金金属粉末质量的0.1wt％～0.3wt％。

采用上述技术方案，所增加的活性粉末可以充当稀释剂而降低熔体粘度及表面张力，降低界面结合能，提高融熔效果，解决钛合金金属粉末熔合效果差的问题，还能够抑制了沉积孔洞的产生。此外，活性粉末占比为钛合金金属粉末的0.1wt％～0.3wt％，质量小，符合国军标对钛合金化学成分的要求(其他杂质元素单个≤0.1wt％，综合≤0.4wt％)，在钛合金金属粉末化学成分改变较小的情况下，提高融熔效果，抑制了沉积孔洞的产生，使激光沉积生产的钛合金构件，快速凝固后无缺陷、晶粒细化、组织均匀致密，性能得到提升。

进一步的，所述活性粉末占所述钛合金金属粉末质量的0.3wt％。

采用了上述技术方案，0.3wt％是活性粉末的最佳占比，钛合金金属粉末的熔合效果最佳，孔洞产生率最低，钛合金构件的综合性能最优。

进一步的，所述活性粉末为磷铁粉、B(硼粉)、Sr(锶粉)和Bi(铋粉)中的一种或多种，其中，所述活性粉末为磷铁粉时，所述磷铁粉中磷含量在20wt％～30wt％。

采用上述技术方案，活性粉末选择磷铁粉、B、Sr和Bi中的任意一种或多种，上述特定的活性粉末，在钛合金金属粉末熔化凝固过程中，可以起到稀释助烧，软化晶界、释放应力的作用，尤其是与钛合金金属粉末复配后，熔融过程中还可以起到降低界面结合能，提高融熔的效果。使用上述任意单独一种或多种特定活性粉末与钛合金金属粉末一起，用于激光增材制造过程中，均具有提高熔合效果，抑制孔洞的效果。

进一步的，所述活性粉末为磷铁粉、B、Sr和Bi时，所述活性粉末中，磷铁粉、B、Sr和Bi添加量的质量比值为(1～3):(1～2):1:1。

采用了上述技术方案，磷铁粉熔点为1100～1250℃，B粉熔点为2180℃，Sr的熔点为769℃，Bi的熔点为271.3℃，四种活性粉末的熔点均不同，四种活性粉末复配时，各活性粉末协同作用，使钛合金金属粉末在增材制造沉积的熔凝过程中，在271.3～2180℃温度范围内，降低熔体粘度及表面张力，降低界面结合能，提高融熔效果，使金属液在凝固过程中得到快速补充，有效抑制了孔洞的产生。

进一步的，所述活性粉末为B、Sr和Bi时，所述活性粉末中，B、Sr和Bi添加量的质量比值为(1～2):1:1。

采用了上述技术方案，活性粉末选择B、Sr和Bi时，由于活性粉末B具有较大的比容积热量，其密度为2.34g/cm³，较钛合金密度4.4g/cm³-4.6g/cm³小，沉积熔凝过程中始终漂浮在微熔池的表面，起到隔绝外界、防止氧化、保护能量散失的作用，同时在高温区(液相和液固两相区)起到降低界面结合能而充当助溶剂的作用。而Sr和Bi可以在钛合金凝固过程中的中、低温区起到稀释剂和降低表面张力的作用。低温、中温和高温各个阶段均有活性粉末的添加，效率更高。另一方面，在上述配比方案下，高温阶段的活性粉末量增大，更有利于钛合金金属粉末的融熔，可以更好的抑制沉积孔洞的产生。

进一步的，所述活性粉末为磷铁粉和B时，所述活性粉末中，磷铁粉和B添加量的质量比值为(1～3):(1～2)。

采用了上述技术方案，活性粉末B熔点为2180℃，磷铁粉熔点为1100～1250℃。活性粉末B为助熔剂，由于密度小而始终漂浮在金属液上方，除了起到隔绝外界防止氧化和热量散失外，最重要的是具有较大的比容积热量，可以降低钛合金的凝固门槛和微冶金晶粒界面结合能。磷铁粉可以在钛合金凝固过程中充当稀释剂而降低液体粘度及表面张力，使凝固后的组织致密均匀。磷铁粉和B粉末两者均在钛合金金属粉末融熔的高温阶段发挥活性作用，将活性粉末集中于高温阶段发挥其稀释和降低钛合金金属粉末之间表面张力的作用，在相同用量下较其他方案活性效果最佳；另一方面，在上述配比方案下，磷铁粉与B配合后能发挥最大活性，降低界面结合能，提高融熔效果，抑制沉积孔洞。

进一步的，所述活性粉末，粒度为7μm～50μm，纯度≥99％，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。

采用了上述技术方案，粒度为7μm～50μm的活性粉末，由于其粒径小且均匀，可以均匀的分布到钛合金粉末中，以微小的质量起到抑制沉积孔洞的效果。

进一步的，所述钛合金金属粉末为耐500℃～800℃钛合金粉末或抗拉强度大于1060MPa且屈服强度大于1000MPa的钛合金粉末。

进一步的，所述耐500℃～800℃钛合金粉末为TA15、TC11、TC25、Ti60、Ti65或Ti750钛合金粉末的任意一种或多种；所述抗拉强度大于1060MPa且屈服强度大于1000MPa的钛合金粉末为TC18或TC21钛合金粉末的任意一种或多种。

进一步的，所述钛合金金属粉末，粒度为75μm～250μm，球形度≥85％，霍尔流速≤35s/g，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。

采用了上述技术方案，钛合金金属粉末的粒度在75μm～250μm，活性粉末粒度在7μm～50μm，活性粉末的粒度小于钛合金金属粉末的粒度，在活性粉末质量较轻的情况能够均匀分散于钛合金金属粉末中，实现添加少量活性粉末起到提高融熔效果，抑制沉积孔洞的目的。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明加入少量的活性粉末，在对钛合金金属粉末化学成分改变较小的情况下，降低界面结合能，提高融熔效果，抑制钛合金构件沉积孔洞的产生，使最终产品组织均匀致密。快速凝固后无缺陷、晶粒细化、组织均匀致密，性能得到提升。

附图说明

图1是本发明实施例1激光沉积成型后缺陷图；

图2是本发明实施例10激光沉积成型后缺陷图；

图3为本发明对比例1激光沉积成型后缺陷图；

图4是本发明对比例2激光沉积成型缺陷图；

图5是本发明对比例3激光沉积成型后缺陷图；

图6是本发明对比例4激光沉积成型后缺陷图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中，表示原料含量的单位均基于重量以份计，单位为千克，除非另外说明。另外，关于本发明的技术指标的测定方法均为本领域内使用标准方法，具体可参见最新的国家标准，除非另外说明。另外，作为本发明中的其它原材料均指本领域内通常使用的原材料。

本发明中用的钛合金金属粉末是Ti60、Ti65、Ti750、TA15、TC11、TC18、TC21或TC25等钛合金金属粉末，还可以是其他的高温或高强度钛合金金属粉末，金属粉末采用非接触、无污染、不产生空心粉的加工方法制备的实心固体颗粒，粒度为75μm～250μm，球形度≥85％，霍尔流速≤35s/g，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。其中TA15和TC11是能够在500℃工作温度下长时间使用的高温钛合金，TC25是能够在550℃工作温度下长时间使用的高温钛合金，Ti60、Ti65和Ti750是分别能够在600℃、650℃和750℃下长时间使用的高温钛合金，这些高温钛合金以耐高温、低密度、高比强度、高比刚度、制造加工成形工艺优良的优点成为临近空间高超声速飞行器部件以及飞机发动机高温部件如轮盘、鼓筒及鼓筒轴、叶片等的首选材料，代替镍基高温合金，从重量和结构上可以减轻50％左右，从而显著提高高速飞行器的性能。

本发明中用的活性粉末为磷铁粉、B、Sr和Bi中的一种或多种，磷铁粉中磷含量在20wt％～30wt％。下述实施例中采用的活性粉末，粒度为7μm～50μm，纯度≥99％，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。

本发明的金属粉末采用下述的激光沉积增材制造方法制备钛合金构件，激光沉积用基板可以采用纯钛板、TA15或TC4等与钛合金具有良好润湿性和焊接性能的基材，在以下实施例中具体选择纯钛板。

保护气氛为氩气保护气氛下，氧含量≤80ppm，水含量≤60ppm。

激光沉积的激光器是光纤激光器、半导体激光器或CO₂激光器。在以下实施例中具体选择光纤激光器。

下述实施例中的图1-图6利用金相显微镜对金属构件试块进行观察并拍照获得。

实施例1

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(Ti60)100份，活性粉末(磷铁粉)0.3份。

其激光沉积增材制造方法，如下：

S1，将Ti60钛合金金属粉末和磷铁粉活性粉末混合均匀形成混合粉末，并在真空干燥箱中干燥2小时，干燥温度为100℃。

S2，在TSC-S4510设备中，氩气保护气氛下，在纯钛板上，采用同轴送粉沉积方式，利用激光在所述纯钛板上进行激光扫描逐层沉积。

激光进行扫描的搭接方式为负搭接，扫描方式为先蛇形正向扫描然后进行反向蛇型回填扫描。激光扫描的具体工艺参数如下：

激光功率为6000W～8200W，光斑直径正向扫描步长8mm～24mm，回填扫描间距4mm～12mm，扫描速度0.8m/min-1.6m/min，搭接率42％，层提升0.4mm～1.0mm，能量密度100J/mm³～150J/mm³。送粉方式为同轴氩气保护送粉，送粉率1.4kg/h～2.2kg/h。激光沉积成型后产品缺陷图见附图1。

实施例2

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(Ti65)100份，活性粉末(磷铁粉、B、Sr和Bi)0.3份。活性粉末中磷铁粉、B、Sr和Bi质量比为3:1:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(Ti65)100份，活性粉末(磷铁粉、B、Sr和Bi)0.3份。活性粉末中磷铁粉、B、Sr和Bi质量比为2:2:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(Ti65)100份，活性粉末(磷铁粉、B、Sr和Bi)0.3份。活性粉末中磷铁粉、B、Sr和Bi质量比为1:1:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例5

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(TC18)100份，活性粉末(B、Sr和Bi)0.3份。活性粉末中B、Sr和Bi的质量比为2:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例6

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(TC18)100份，活性粉末(B、Sr和Bi)0.2份。活性粉末中B、Sr和Bi的质量比为1:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例7

本实施例中的增材制造用金属粉末，以质量份数计，组分如下：钛合金金属粉末(TC18)100份，活性粉末(B、Sr和Bi)0.1份。活性粉末中B、Sr和Bi的质量比为1:1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例8

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TC21)100份，活性粉末(磷铁粉和B)0.3份。活性粉末中磷铁粉和B的质量比为2:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例9

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TC21)100份，活性粉末(磷铁粉和B)0.2份。活性粉末中磷铁粉和B的质量比为1:1。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例10

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TC21)100份，活性粉末(磷铁粉和B)0.1份。活性粉末中磷铁粉和B的质量比为3:2。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

本实施例激光沉积成型后产品缺陷图见附图2。

实施例11

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TC25)100份，活性粉末(B粉末)0.1份。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例12

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TA15)100份，活性粉末(Sr粉末)0.2份。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

实施例13

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(TC11)100份，活性粉末(Bi粉末)0.1份。

实施例14

本实施例中的增材制造用金属粉末，组分如下：钛合金金属粉末(Ti750)100份，活性粉末(B粉末)0.3份。

其激光沉积增材制造方法与实施例1相同。

进一步的，为了能够说明本发明所具有的有益效果，本发明还提供了如下对比例进一步说明。

对比例1：将实施例1中的磷铁粉活性粉末等量替换为Ti60钛合金金属粉末，其它组分不变。

对比例1中的制备方法与实施例1相同，制造钛合金构件，组织缺陷图见附图3。

对比例2：将实施例2中的磷铁粉、B、Sr和Bi组成的活性粉末等量替换为Ti65钛合金金属粉末，其他组分不变。

对比例2中的制备方法与实施例1相同，制造钛合金构件，组织缺陷图见附图4。

对比例3：将实施例5中的B、Sr和Bi组成的活性粉末等量替换为TC18钛合金金属粉末，其他组分不变。

对比例3中的制备方法与实施例1相同，制造钛合金构件，组织缺陷图见附图5。

对比例4：将实施例8中的磷铁粉和B组成的活性粉末等量替换为TC21钛合金金属粉末，其他组分不变。

对比例4中的制备方法与实施例1相同，制造钛合金构件，组织缺陷图见附图6。

进一步地，本发明对实施例1-14和对比例1-4分别制备的钛合金构件进行缺陷观测和性能测定，结果如下表：

根据上表可知，在钛合金金属粉末中添加0.1wt％～0.3wt％的活性粉末，可提融熔效果，消除钛合金激光沉积过程中的孔洞缺陷，制造的钛合金构件组织均匀致密，综合性能得到提升。本发明的技术方案适于Ti60、Ti65和Ti750钛合金，同时也适用于TA15、TC11、TC18、TC21和TC25。特别适用于高超声速飞行器等各种大型薄壁复杂结构的高温钛合金构件激光沉积孔洞缺陷的消除。解决锻件制造大型复杂薄壁高温钛合金部件加工余量大、成本高、效率低、周期长的难题，实现了高性能部件的短流程、低成本、快速一体成型制造，大幅度缩短了制造周期，降低了生产成本，减少了零部件数量，提高了高速飞行器等的灵动性和高可靠性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种增材制造用金属粉末，其特征在于，包括钛合金金属粉末和活性粉末，其中所述活性粉末占所述钛合金金属粉末质量的0.1wt％～0.3wt％。

2.根据权利要求1所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末占所述钛合金金属粉末质量的0.3wt％。

3.根据权利要求1所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末为磷铁粉、B、Sr和Bi中的一种或多种，其中，所述活性粉末为磷铁粉时，所述磷铁粉中磷含量在20wt％～30wt％。

4.根据权利要求3所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末为磷铁粉、B、Sr和Bi时，所述活性粉末中，磷铁粉、B、Sr和Bi添加量的质量比值为(1～3):(1～2):1:1。

5.根据权利要求3所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末为B、Sr和Bi时，所述活性粉末中，B、Sr和Bi添加量的质量比值为(1～2):1:1。

6.根据权利要求3所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末为磷铁粉和B时，所述活性粉末中，磷铁粉和B添加量的质量比值为(1～3):(1～2)。

7.根据权利要求1所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述活性粉末，粒度为7μm～50μm，纯度≥99％，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。

8.根据权利要求1所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述钛合金金属粉末为耐500℃～800℃钛合金粉末或抗拉强度大于1060MPa且屈服强度大于1000MPa的钛合金粉末。

9.根据权利要求8所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述耐500℃～800℃钛合金粉末为TA15、TC11、TC25、Ti60、Ti65或Ti750钛合金粉末中的任意一种或多种；所述抗拉强度大于1060MPa且屈服强度大于1000MPa的钛合金粉末为TC18或TC21钛合金粉末中的任意一种或多种。

10.根据权利要求1所述的增材制造用金属粉末，其特征在于，所述钛合金金属粉末，粒度为75μm～250μm，球形度≥85％，霍尔流速≤35s/g，以物质的量计，氧含量≤0.15mol％，氮含量≤0.05mol％，氢含量≤0.012mol％。