CN111992711B - 一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，在完成一层或者一道钛合金增材制造后，在该层上均匀涂上Nb粉和酒精的混合液，再进行下一层或者下一道的增材制造，直到完成构件增材制造。在电弧作用下，酒精挥发，Nb粉随电弧熔化进入熔池中。Nb粉可作为钛合金中的异质形核质点，并有效改善组织。同时Nb与Ti具有相似的价电子结构和尺寸，能够与Ti无限固溶。通过在钛合金的CMT增材制造中加入一定的Nb元素来获得具有优秀拉伸性能的增材制造沉积零件，改善钛合金CMT沉积零件的显微组织从而提高力学性能。

Description

一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更加具体地说，涉及利用添加Nb粉末的方法进行钛合金的增材制造，从而提高钛合金沉积零件的抗拉强度。

背景技术

钛合金广泛应用在航空航天等领域，其使用量日益增加。增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术属于一种自下而上的制造方法。在钛合金增材制造过程中，由于热输入的积累，使钛合金的显微组织粗大，其拉伸性能各项异性，限制了钛合金的使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，Nb是提高钛及钛合金性能的有效元素之一，进行钛合金电弧增材制造的同时加入Nb粉末来改善钛合金中成分，研究其组织和性能，具有重要的实际意义。本发明提出加入Nb元素改变钛合金的显微组织，从而在常温(20—25摄氏度)条件下，改善沉积零件的拉伸性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，在完成一层(或者一道)钛合金增材制造后，在该层上均匀涂上分散Nb粉的乙醇，再进行下一层(道)的增材制造，直到完成构件增材制造。

在上述技术方案中，在电弧作用下，乙醇(即纯乙醇或者乙醇和水以任意比例互溶的酒精)挥发，Nb粉随电弧熔化进入熔池中，以实现复合，即在增材制造中每堆焊一道焊缝均匀涂上Nb粉和酒精(乙醇)的混合液，Nb粉被下一道焊缝的焊接电弧熔化，并进入熔池中。

在上述技术方案中，母材为钛合金TC4，焊丝选用TC4。

在上述技术方案中，所用到的混合涂层为Nb粉和乙醇的混合溶液，混合溶液中Nb粉和乙醇(或者酒精)的质量比为1：(3—6)，优选1：(4—5)，其中Nb粉粒度为5-10μm，每层焊缝涂抹浓度为0.03—0.06gNb粉/cm²，优选0.04—0.05gNb粉/cm²，为能够电弧作用下熔化为适当。

在上述技术方案中，增材制造参数如下：焊接电流范围为20—110A，电弧电压范围为0—40V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min；优选焊接电流范围为50—80A，电弧电压范围为10—30V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—15L/min。

在本发明的技术方案中，在钛合金增材制造过程中，加入Nb粉和酒精的混合液。在电弧作用下，酒精挥发，Nb粉随电弧熔化进入熔池中。Nb粉可作为钛合金中的异质形核质点，并有效改善组织。同时Nb与Ti具有相似的价电子结构和尺寸，能够与Ti无限固溶。通过在钛合金的CMT增材制造中加入Nb元素来获得具有优秀拉伸性能的增材制造沉积零件，改善钛合金CMT沉积零件的显微组织从而提高力学性能。

附图说明

图1为本发明使用的Nb粉末的扫描电镜照片。

图2为本发明添加Nb粉末增材制造过程示意图。

图3为本发明拉伸试样的结构示意图，其中单位为mm。

图4为利用本发明技术方案的添加Nb粉末的钛合金增材制造零件实物照片。

图5是本发明实施例中沉积零件的显微组织金相照片，其中(a)未加Nb进行增材沉积的零件组织照片，(b)添加金属Nb进行增材沉积的零件组织照片。

图6是本发明实施例中沉积零件(未加Nb和加Nb)的拉伸性能对比柱状图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明使用的金属电弧增材制造实验基板为钛合金TC4，基板尺寸为200×50×4mm³，焊丝选用直径为1.2mm的TC4焊丝。采用CMT冷金属过渡焊进行增材制造。采用钛合金程序，冷金属过渡技术进行钛合金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型焊机。

其主要实现步骤如下：

1.试验前用不锈钢丝刷将钛合金基板上的氧化膜去除，直到露出银白色的金属光泽，用酒精将施焊处表面的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜。

2.设定焊接参数，送丝速度为7m/min，焊枪总体行走速度为0.3m/min，气体流量为20L/min。

3.图2为本发明中CMT增材制造过程的示意图，即加入Nb粉增材过程示意图。如图2所示，待焊接过程完成一道后，即CMT增材制造一层钛合金成型后，均匀涂上Nb粉末与酒精的混合液(Nb粉和酒精的质量比为1：4，Nb粉粒度为5μm，每层焊缝涂抹浓度为0.05gNb粉/cm²)，再进行下一道(层)的CMT增材制造，随着下一层的增材制造和CMT焊枪的移动，Nb粉被电弧熔化且酒精蒸发，在CMT电弧作用下，Nb粉熔化进入熔池中。

4.采用相同工艺参数进行钛合金的CMT增材制造，在钛合金CMT增材制造中未加入Nb粉末，这样就分别得到未加入Nb粉末的CMT增材沉积零件和加入Nb粉末的CMT增材沉积零件，再利用线切割按照附图2和3所示的形状和尺寸将样品切下，其中纵向拉伸试样的长度方向垂直于基材表面，即纵向拉伸试样在长度方向上跨过(含有)多道CMT增材制造沉积的焊层，横向拉伸试样的长度方向平行于基材表面，即横向拉伸试样在宽度方向上跨过(含有)多道CMT增材制造沉积的焊层，焊层数量小于纵向拉伸试样中焊层数量，采用这样的取样方式，在纵向和横向试样中含有不同的焊层(即不同的金属铌含量)；最后通过打磨抛光后，在光学显微镜下观看组织变化，如附图4所示，与未加入Nb粉末的沉积零件比较，加入Nb粉末的组织发生改变，部分组织生成了(β-Ti，Nb)固溶体。

5.将未加入Nb粉末的CMT增材沉积零件样品和加入Nb粉末的CMT增材沉积零件样品在室温20—25摄氏度下以1mm/min的拉伸速率进行拉伸试样，如附图4所示，可以发现加入Nb粉末后试样两个方向的极限抗拉强度均得到了提高。其中，水平方向的极限抗拉强度比竖直方向增加的显著，水平方向的极限抗拉强度与未加入Nb粉的沉积零件相比增加了18％。垂直方向的极限抗拉强度与未加入Nb粉的沉积零件相比增加了14％。

根据本发明内容的工艺参数进行调整(焊接电流范围为20—110A，电弧电压范围为0—40V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min)，均可实现在CMT增材制造中添加Nb粉末元素，经测试，水平方向的极限抗拉强度与未加入Nb粉末的沉积零件相比平均增加18—23％；垂直方向的极限抗拉强度未加入Nb粉末的沉积零件相比平均增加了14—19％。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现钛合金CMT沉积零件的增材制造，且表现出与本发明基本一致的性能，即在金属Nb在提升钛合金增材制造拉伸性能中的应用。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，其特征在于，在完成一层钛合金增材制造后，在该层上均匀涂上分散Nb粉的乙醇，再进行下一层的增材制造，直到完成构件增材制造，该增材制造为CMT增材制造；Nb粉和乙醇的质量比为1：(3—6)，其中Nb粉粒度为5-10μm，每层焊缝涂抹浓度为0.03—0.06gNb粉/cm²；增材制造参数如下：焊接电流范围为20—110A，电弧电压范围为0—40V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min；母材为钛合金TC4，焊丝选用TC4。

2.根据权利要求1所述的一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，其特征在于，Nb粉和乙醇的质量比为1：(4—5)，其中Nb粉粒度为5-10μm，每层焊缝涂抹浓度为0.04—0.05gNb粉/cm²。

3.根据权利要求1或者2所述的一种添加Nb粉末改善钛合金增材制造拉伸性能的方法，其特征在于，增材制造参数如下：焊接电流范围为50—80A，电弧电压范围为10—30V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—15L/min。

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