CN110735059A - 一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，具体步骤如下：将熔炼所需原料，海绵钛、中间合金称重，加入混料机中均匀混料，将得到的EB熔炼用棒料进行铸锭得EB铸锭毛坯；将获得的EB铸锭毛坯表面进行机加工，铣面去除厚度2~5mm，对表面缺陷进行修磨和抛光处理；经过一火次或多火次以及金属压力加工处理获得棒材与丝材，不同火次之间进行矫直机在线矫直和无心车床扒皮和抛光。本发明制备工艺简单、成本低，获得的棒丝材O、N等杂质元素含量低，成分更为纯净，有效提高增材制造零部件综合性能。

Description

一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法。

背景技术

3D打印增材制造，是一种先进、高效、近净成型部件生产方式，材料利用率高，可以生产传统工艺无法制备的薄壁、复杂型腔及点阵结构，满足个性化需求，发展前景广阔。钛合金是3D打印中最常用的金属材料，具有密度低、比强度高、耐蚀性优异、生物相容性好等特点，在航空航天、船舶、化工、生物医疗、交通运输、体育休闲以及日用品等领域应用前景广阔。但由于钛活性大、强度高、难变形等原因，传统制造加工钛合金时，材料利用率低，加工成本高。钛及钛合金从原料到部件全流程成本构成中，钛材料加工及最终部件加工成本占70%以上，材料利用率在30%以下，低成本化已经成为我国乃至世界钛科技与工业必须要面对的重要课题，而3D打印技术采用增材制造的加工方法，有效避免了上述问题，相比传统加工方法有着极大的优势。

为提高增材制造零部件综合性能，增材制造用钛及钛合金棒丝材O、N等杂质元素越低越好。目前，增材制造用钛及钛合金棒丝材制备的工艺流程为VAR熔炼-锻造-轧制的路线，制备过程从混料、电极压制与组焊、2~3次VAR熔炼、锻造、扒皮修磨到棒材轧制，不仅工序流程长、材料损耗大、加工成本高，而且多次VAR熔炼导致O、N等杂质元素增量提高，影响增材制造用零件的综合机械性能。因此，需要探索一种新的高质量、低成本增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法非常必要，不仅可以实现低O、N等杂质元素控制，还能有效缩短工序流程，降低生产成本。

发明内容

本发明的技术方案是：一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，具体步骤如下：

步骤一、将熔炼所需原料，海绵钛、中间合金称重，加入混料机中均匀混料，制备EB熔炼用棒料；

步骤二、将EB熔炼用棒料进行烘干后放入料箱，将料箱放入加料室内，对熔炼室和加料室抽真空后开启电子枪进行凝壳预热，进行EB熔炼用棒料连续进料熔炼，获得一次熔炼EB铸锭毛坯；

步骤三、将步骤二的EB铸锭毛坯表面进行机加工，去除厚度2~5mm，使用砂轮和千叶轮对表面缺陷进行修磨和抛光处理，采用机加工方法，制备后工序热轧所需尺寸规格的方形或圆柱形热轧坯料;

步骤四、经过一火次或多火次以及金属压力加工处理，获得所需规格棒丝材，不同火次之间进行矫直机在线矫直和无心车床扒皮和抛光。

进一步优化，所述步骤二中烘干工艺条件为：烘干温度为100-200℃，保温0.5-2h。

进一步优化，所述步骤二中熔炼室的真空度不超过0.07Pa，加料室的真空度不超过0.3Pa。

进一步优化，所述步骤二中熔炼采用的是冷床炉熔炼。

进一步优化，所述步骤二中扁锭毛坯的尺寸为200×1090~1290×6100~6200mm。

本发明的有益效果是：

一、传统VAR熔炼为获得稳定的电离电弧，需一定含量的气体含量作为电离介质，其熔炼真空度在0.1~5Pa范围，无法实现高真空度熔炼，且经过2~3次熔炼，因此O、N有害杂质元素增量较大，而本专利方法熔炼室达到10^-1~10^-3Pa高真空度范围， O、N有害杂质元素增量小，提高增材制造原料的质量水平；

二、利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属熔化，实现对金属材料的熔炼、提纯、去杂等工艺，熔炼的过热度达到400℃以上、材料处于液态的时间长、真空度高、有充足的精炼区域和时间使得低密度夹杂溶解挥发、高密度夹杂下沉并被凝壳捕获，鉴于这些优势，相比传统VAR熔炼本专利方法可以有效地去除高低密度夹杂，且对Cl、Mg、Sn、Mn等杂质元素起到精炼提纯作用，提高增材制造零部件综合性能；

三、传统棒丝材用坯料的生产主要是海绵钛或钛残料经混料和电极压制组焊后2~3次VAR熔炼，多次敦拔锻造后获得长方形或圆柱形坯料，本发明工艺方法在海绵钛混料后无需进行电极的压制和组焊，经一次EB熔炼后可分切为轧棒用的长方形坯料，相比传统工艺路线，减少了电极压制与组焊、敦拔锻造以及过程打磨等多个工序，经一次EB冷床炉熔炼即可获得可直接用于棒丝材轧制坯料，生产流程更短，成材率更高；

四、由于生产工序减少，成材率提高，本发明方法生产的棒丝材相比传统工艺科降低加工成本20%以上。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤一、将海绵钛与AlV55中间合金、Al豆、钛铁合金，按重量百分比Al 7.5%、V 4.0%，其余为海绵钛的配料基准称重，其中海绵钛的O含量0.051%、N含量0.006%，不添加Fe元素合金和二氧化钛增氧，将原料称重后经混料系统5min混料，单次混料100Kg，共经过4次混料，混料后的原料均匀布料至用TC4合金板材焊接尺寸400×450×1500mm的无盖料箱中，得EB熔炼用棒料备用；

步骤二、将EB熔炼用棒料烘干后放入料箱放入料箱内，将料箱放入加料室内，对熔炼室和加料室抽真空，真空度分别满足小于等于0.07Pa和0.3Pa，开启电子枪进行凝壳预热，进行连续进料熔炼得EB铸锭毛坯，获得尺寸为200×1090×6200mm的EB铸锭毛坯；

步骤三、对EB铸锭毛坯上下表面和两侧表面进行铣面加工，铣面去除量5mm，使用砂轮和千叶轮对表面缺陷进行修磨和抛光处理；沿宽度方向锯切，将板坯长度按190mm分切，获得尺寸为190×190×1080mm的方坯，棱边打磨为≥2mm×45°的倒角；

步骤四、将步骤四中的坯料加热至950℃，保温时间为95min，使用型号为450的轧机轧至直径为60mm规格的圆棒，经过矫直机在线矫直和无心车床扒皮和抛光，获得用于旋转电极法制备增材制造用TC4合金粉末的Φ55mm棒坯。

在本实施例中，加工制造成本28元/Kg，从原料至成品棒坯的成品率76%，测试成品棒坯平均O含量0.057%、平均N含量0.007%，O、N增量分别为0.006%、0.001%。

实施例2

步骤一、称取海绵钛，该海绵钛的O含量0.042%、N含量0.005%，将上述原料称重后经混料系统3min混料，然后布料至用TA1板材焊接尺寸420×450×1500mm的无盖料箱中，作为EB熔炼用棒料；

步骤二、将EB熔炼用棒料烘干后放入料箱内，将料箱放入加料室内，对熔炼室和加料室抽真空，真空度分别满足小于等于0.07Pa和0.3Pa后开启电子枪进行预热，进入正常熔炼步骤进行连续进料熔炼，熔炼获得尺寸为200×1290×6100mm的EB铸锭毛坯；

步骤三、对EB铸锭毛坯上下表面和两侧表面进行铣面加工，铣面去除量3mm，使用砂轮和千叶轮对表面缺陷进行修磨和抛光处理；沿宽度方向锯切，将板坯长度按190mm分切，获得尺寸为190×193×1280mm的方坯，棱边打磨为≥2mm×45°的倒角；

步骤四、将坯料加热至800℃，保温时间60min，使用450型轧机轧进行一火次轧制至50mm直径规格的圆棒，经过矫直机在线矫直和无心车床扒皮去除厚度2mm作为后续轧制坯料，再次加热至720℃保温30min，进行二火次轧制，轧制至直径15mm的圆棒，经过矫直机在线矫直、无心车床扒皮，之后进行三火次轧制至直径8mm的圆棒盘条，经中间退火处理和机械加工扒皮0.5~1mm去除表面氧化与缺陷，后经多道次加热及拉拔，获得直径1.5mm的纯钛丝材。

在本实施例中，加工制造成本55元/Kg，从原料至成品丝材的成品率72%，测试成品丝材平均O含量0.050%、平均N含量0.006%，O、N增量分别为0.008%与0.001%。

对比例1

将与实施例1相同批次同样原料按传统工艺称重配料，混料后压制组焊电极，在VAR炉中熔炼3次，获得直径Φ380mm×1600mm的铸锭，表面机加工后经过5个火次锻造、打磨与分切，获得尺寸为150mm×150mm×1300mm的轧制坯料，经过一火轧制后获得60mm直径规格的圆棒，经机加工获得直径为55mmTC4钛合金棒材。

在本对比例中，加工制造成本42元/Kg，从原料至成品棒材的成品率66%，测试成品棒坯平均O含量0.070%、平均N含量0.011%，氧氮增量分别为0.019%与0.004%。

采用实施例1的方法制备的钛及钛合金棒丝材成本价为28元/Kg，比传统制备方法的对比例1的成本降低了14元/Kg，成品率也提高了10％，O含量和N含量均有所降低，高低密度夹杂去除效果好，综合质量优异。

对比例2

将与实施例2相同批次同样原料按传统工艺称重配料，混料后压制组焊电极，在VAR炉中熔炼二次，获得直径Φ380mm×1800mm的铸锭，表面机加工后经过4个火次锻造、打磨与分切，获得尺寸为160mm×160mm×1300mm的轧制坯料，经过一火轧制后获得50mm直径规格的圆棒，经过二火与三火次轧制获得8mm直径规格圆棒盘条，同样多道次加热及拉拔，获得1.5mm的TA1纯钛丝材。

在本对比例中，加工制造成本68元/Kg，从原料至成品棒坯的成品率67%，测试成品棒丝材平均O含量0.064%、平均N含量0.010%，氧氮增量分别为0.022%与0.005%。

采用实施例2的方法制备的钛及钛合金棒丝材成本价为55元/Kg，比传统制备方法的对比例2的成本降低了13元/Kg，成品率也提高了5％，O含量和N含量均有所降低，高低密度夹杂去除效果好，综合质量优异。

以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、将熔炼所需原料，海绵钛、中间合金称重，加入混料机中均匀混料，制备EB熔炼用棒料；

步骤二、将EB熔炼用棒料进行烘干后放入料箱，将料箱放入加料室内，对熔炼室和加料室抽真空后开启电子枪进行凝壳预热，进行EB熔炼用棒料连续进料熔炼，获得一次熔炼EB铸锭毛坯；

步骤三、将步骤二的EB铸锭毛坯表面进行机加工，去除厚度2~5mm，使用砂轮和千叶轮对表面缺陷进行修磨和抛光处理，采用机加工方法，制备后工序热轧所需尺寸规格的方形或圆柱形热轧坯料;

步骤四、经过一火次或多火次以及金属压力加工处理，获得所需规格棒丝材，不同火次之间进行矫直机在线矫直和无心车床扒皮和抛光。

2.如权利要求1所述的一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，其特征在于，所述步骤二中烘干工艺条件为：烘干温度为100-200℃，保温0.5-2h。

3.如权利要求1所述的一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，其特征在于，所述步骤二中熔炼室的真空度不超过0.07Pa，加料室的真空度不超过0.3Pa。

4.如权利要求1所述的一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，其特征在于，所述步骤二中熔炼采用的是冷床炉熔炼。

5.如权利要求1所述的一种增材制造用钛及钛合金棒丝材制备工艺方法，其特征在于，所述步骤二中扁锭毛坯的尺寸为200×1090~1290×6100~6200mm。