CN113059160A - 一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法。本发明通过在原有的铸造基体上通过同轴送粉增材制造进行二次加工，实现复杂低间隙相钛合金构件的制备，实现冶金紧密结合，并通过置氢‑固溶‑除氢处理对增材制造与铸造结合区域进行组织细化和均匀化，并有效改善了组织粗大、应力集中和塑性差等问题，合金铸件具有良好的抗拉强度和延伸率。

Description

一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金增材制造领域，具体涉及一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法。
背景技术
近年来，航空、航天、舰船等高端装备制造技术的发展对钛合金部件的性能提出更高的要求，不仅要求钛合金铸件具有较高的强度，同时需要具备较好的韧性。低间隙相钛合金具有优异的室温和低温综合性能，但采用增材制造技术成形时，形成的非平衡组织往往存在晶粒粗大、晶粒定向生长等问题，降低了组织的均匀性，影响了其力学性能。热氢处理是利用氢在钛合金中的特性，把氢作为临时合金化元素，通过可逆化的热处理优化组织结构，改善力学性能。开发适用于增材制造技术的复合成形技术及其热处理工艺具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术缺陷，本发明提供了一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法。本发明通过在原有的铸造基体上通过同轴送粉增材制造进行二次加工，实现复杂低间隙相钛合金构件的制备，实现冶金紧密结合，其特点是将铸造和增材制造技术相结合，实现复合制造；使合金构件具有较窄的成分范围，间隙杂质元素C、N、H、O含量更低，合金构件具有更好的力学性能；利用氢元素在钛合金中的可逆合金化特性，将氢作为临时合金化元素，并通过置氢-固溶-除氢处理的方法，保证合金成分不被改变，最终达到提高低间隙钛合金构件力学性能的目的，对增材制造与铸造结合区域进行组织细化和均匀化，并有效改善了组织粗大、应力集中和塑性差等问题，合金铸件具有良好的抗拉强度和延伸率。
本发明的技术方案如下：
一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，该方法采用铸造和增材制造技术相结合，在原有铸造基体上通过同轴送粉增材制造进行二次加工，并通过置氢-固溶-除氢处理对增材制造与铸造结合区域进行处理，实现复杂低间隙相钛合金构件的复合制备。
具体过程为：
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分控制在(以重量百分比计)：碳≤0.03％，氮≤0.03％，氢≤0.005％，氧≤0.10％，铁≤0.25％。
(3)采用机加石墨型铸造工艺或熔模精密铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，根据步骤(1)设计好的增材制造结构模型在铸造基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度0.4-4r/min，扫描速度1-40mm/s，激光功率2000～6000W。
(5)将增材制造好的钛合金构件进行置氢-固溶-除氢处理工艺，包括：①抽真空：将构件装入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，抽至真空在10Pa以内；②置氢：往炉内持续充入氢气，待出气口持续放出氢气后，炉子开始加热，温度达到700℃～750℃之间时，关闭出气口，调整炉内氢压至0.2MPa～0.4MPa之间，保持90～150分钟，随后炉冷至室温；③固溶：将构件放入热处理炉中，以15～20℃/min的速度加热至1060～1100℃进行固溶，保温30～60min，然后淬火；④除氢：将构件放入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，当炉内真空度高于10-4Pa时，送电，加热至温度达到720～780℃，同时持续进行抽真空，保持10-4Pa，保温12小时，炉冷至室温。
本发明优点是：
1.本发明在铸造基体上通过同轴送粉增材制造技术进行复杂结构成形，铸造基体与增材制造部分材质相同，结合部位可实现紧密的冶金结合，通过复合成形，提高了成形效率和成形质量。
2.本专利通过热氢处理改善了低间隙相合金的力学性能，使合金具有良好的抗拉强度和延伸率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
生产一种尺寸约为
Figure BDA0002345119870000031
的Ti5Al2.5Sn ELI钛合金壳体铸件。
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分如表所示；
表1钛合金铸造基体材料和粉末材料成分
元素 Ti Al Sn C N H O Fe
含量 余量 5.0 2.6 0.015 0.024 0.002 0.08 0.035
(3)根据工艺图纸采用机加石墨型铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，根据设计好的模型在基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度2r/min，扫描速度20mm/s，激光功率3000W。
(5)将增材制造好的钛合金构件进行置氢-固溶-除氢处理工艺，包括：①抽真空：将构件装入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，抽至真空在10Pa以内；②置氢：往炉内持续充入氢气，待出气口持续放出氢气后，炉子开始加热，温度达到750℃时，关闭出气口，调整炉内氢压至0.3MPa之间，保持120分钟，随后炉冷至室温；③固溶：将构件放入热处理炉中，以15℃/min的速度加热至1080℃进行固溶，保温40min，然后淬火；④除氢：将构件放入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，当炉内真空度高于10-4Pa时，送电，加热至温度达到760℃，同时持续进行抽真空，保持10-4Pa，保温12小时，炉冷至室温。
实施例2
生产一种尺寸约为
Figure BDA0002345119870000041
的Ti5Al2.5Sn ELI钛合金阀体铸件。
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分如表所示；
表2钛合金铸造基体材料和粉末材料成分
元素 Ti Al Sn C N H O Fe
含量 余量 5.1 2.7 0.015 0.022 0.003 0.07 0.032
(3)根据工艺图纸采用熔模精密铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，根据设计好的模型在基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度1r/min，扫描速度10mm/s，激光功率4000W。
(5)将增材制造好的钛合金构件进行置氢-固溶-除氢处理工艺，包括：①抽真空：将构件装入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，抽至真空在10Pa以内；②置氢：往炉内持续充入氢气，待出气口持续放出氢气后，炉子开始加热，温度达到750℃时，关闭出气口，调整炉内氢压至0.3MPa之间，保持90分钟，随后炉冷至室温；③固溶：将构件放入热处理炉中，以15℃/min的速度加热至1080℃进行固溶，保温30min，然后淬火；④除氢：将构件放入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，当炉内真空度高于10-4Pa时，送电，加热至温度达到760℃，同时持续进行抽真空，保持10-4Pa、760℃的状态12小时，炉冷至室温。
对比例1
生产一种尺寸约为320mm×250mm×150mm的Ti5Al2.5Sn ELI钛合金框架铸件。
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分如表所示；
表3钛合金铸造基体材料和粉末材料成分
元素 Ti Al Sn C N H O Fe
含量 余量 5.0 2.5 0.011 0.024 0.004 0.05 0.028
(3)根据工艺图纸采用熔模精密铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，根据设计好的模型在基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度1r/min，扫描速度20mm/s，激光功率4000W。
对比例2
生产一种尺寸约为260mm×220mm×210mm的Ti5Al2.5Sn ELI钛合金箱体铸件。
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分如表所示；
表3钛合金铸造基体材料和粉末材料成分
元素 Ti Al Sn C N H O Fe
含量 余量 5.23 2.8 0.032 0.041 0.015 0.15 0.05
(3)根据工艺图纸采用熔模精密铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，根据设计好的模型在基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度1r/min，扫描速度20mm/s，激光功率4000W。
(5)将增材制造好的钛合金构件进行置氢-固溶-除氢处理工艺，包括：①抽真空：将构件装入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，抽至真空在10Pa以内；②置氢：往炉内持续充入氢气，待出气口持续放出氢气后，炉子开始加热，温度达到750℃时，关闭出气口，调整炉内氢压至0.3MPa之间，保持90分钟，随后炉冷至室温；③固溶：将构件放入热处理炉中，以15℃/min的速度加热至1080℃进行固溶，保温30min，然后淬火；④除氢：将构件放入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，当炉内真空度高于10-4Pa时，送电，加热至温度达到760℃，同时持续进行抽真空，保持10-4Pa、760℃的状态12小时，炉冷至室温。
力学性能测试结果如下表。
表4钛合金铸件力学性能wt.％
Figure BDA0002345119870000071
铸件化学成分中杂质元素含量提高或者不进行热氢处理后，铸件塑性明显下降。

Claims (7)

1.一种复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于：该方法采用铸造和增材制造技术相结合，在原有铸造基体上通过同轴送粉增材制造进行二次加工，并通过置氢-固溶-除氢处理对增材制造与铸造结合区域进行处理，实现复杂低间隙相钛合金构件的复合制备。
2.根据权利要求1所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于：所述复杂低间隙相钛合金构件的复合制备具体步骤如下：
(1)根据钛合金构件的结构特点进行三维设计，将构件分为铸造基体结构和增材制造结构两部分；
(2)准备钛合金铸造基体材料和粉末材料；
(3)采用机加石墨型铸造工艺或熔模精密铸造工艺制备铸造基体；
(4)将铸造基体放置于增材制造设备内，采用同轴送粉工艺，根据步骤(1)设计好的增材制造结构模型在铸造基体表面进行增材制造加工；
(5)将增材制造好的钛合金构件进行置氢-固溶-除氢处理工艺，将低间隙相钛合金构件装入真空热处理炉中，在一定温度下进行渗氢-固溶-除氢处理，对增材制造与铸造结合区域进行组织细化和均匀化，得到复杂低间隙相钛合金构件。
3.按照权利要求2所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于，在步骤(2)中钛合金铸造基体材料和粉末材料中的杂质元素成分控制在(以重量百分比计)：碳≤0.03％，氮≤0.03％，氢≤0.005％，氧≤0.10％，铁≤0.25％。
4.按照权利要求2所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于，在步骤(4)中在基体表面进行增材制造加工，采用同轴送粉工艺，送粉速度0.4-4r/min，扫描速度1-40mm/s，激光功率2000～6000W。
5.按照权利要求2所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中置氢-固溶-除氢处理工艺中置氢具体为：往炉内持续充入氢气，待出气口持续放出氢气后，炉子开始加热，温度达到700℃～750℃之间时，关闭出气口，调整炉内氢压至0.2MPa～0.4MPa之间，保持90～150分钟，随后炉冷至室温。
6.按照权利要求2所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中置氢-固溶-除氢处理工艺中固溶具体为：将复杂低间隙相钛合金构件放入热处理炉中，以15～20℃/min的速度加热至1060～1100℃进行固溶，保温30～60min，然后淬火。
7.按照权利要求2所述的复杂低间隙相钛合金构件的复合制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中置氢-固溶-除氢处理工艺中除氢具体为：将复杂低间隙相钛合金构件放入真空热处理炉中，对炉体进行抽真空，当炉内真空度高于10-4Pa时，送电，加热至温度达到720～780℃，同时持续进行抽真空，保持10-4Pa、保温8～12小时，炉冷至室温。
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Denomination of invention: A Composite Preparation Method for Complex Low Gap Phase Titanium Alloy Components

Effective date of registration: 20231129

Granted publication date: 20220916

Pledgee: China Construction Bank Corporation Shenyang Tiexi Branch

Pledgor: Shenyang Foundry Research Institute Co., Ltd. of China National Machinery Research Institute Group

Registration number: Y2023210000305

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