CN113523643B - 增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝，由内芯材料和包覆在内芯材料上的外层材料制成；本发明还公开了该Ti/Al复合丝的制备方法：将外层材料和内芯材料处理后导入装配，依次经旋锻和拉拔得到Ti/Al复合丝。本发明通过对内芯材料和外层材料的成分及横截面积设计，保证了两者协同变形，并满足TiAl合金的原子百分比要求，解决了TiAl合金室温塑性差难以实现拉丝成型用于增材制造的问题；本发明的制备方法通过调节旋锻和拉拔的道次变形量及退火温度区间，抑制了Ti/Al界面金属间化合物生成并得到组织均匀性与性能一致性良好的Ti/Al复合丝，避免了Ti/Al复合丝的开裂。

Description

增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝及其制备方法
技术领域
本发明属于TiAl合金制备技术领域，具体涉及一种增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝及其制备方法。
背景技术
TiAl合金是由Ti和Al按近等量的原子比形成的金属间化合物，其密度不足Ni基高温合金的一半，同时具有高比强度、比模量、蠕变抗力、优异的高温力学性能以及抗氧化性等优点，因此被认为是在 600℃~900℃区间内最有希望取代Ni基高温合金的高温结构材料之一。然而作为金属间化合物，TiAl合金因为超点阵位错的低可动性以及缺乏足够的形变方式等特点，呈现出较差的加工性能。目前，TiAl合金主要采用铸锭冶金、精密铸造和粉末冶金等技术进行生产制造。虽然通过工艺改进已能够生产出TiAl合金锭和零件毛坯，但是随着现代航空航天技术的蓬勃发展，对发动机零部件的轻量化和高功效要求不断提高，高温零部件的结构越来越复杂，而TiAl合金加工成形难度较大，使得这些传统加工技术在制造复杂结构的TiAl合金零部件时均显不足。
增材制造技术是基于材料分层累加原理，自下而上逐层累积材料，成型三维实体构件的制造方法。相比于铸锻等传统减材制造技术，该技术具有工艺流程简单、材料利用率高、成型效率高以及可实现各种复杂结构制造等优点，尤为适用于TiAl合金复杂构件的制造。金属增材制造技术根据供料方式的不同可分为铺粉、送粉和送丝增材制造三种方法。公开号为CN110449581A的发明专利中公开了一种激光熔化沉积制备TiAl+Ti2AlNb复合材料的方法，该发明采用激光送粉熔化沉积的方法进行材料成形，解决了TiAl合金成形问题，但是激光熔化技术对金属粉末质量要求较高，致密度对构件的性能影响较大，且激光沉积速率较低，限制了其在大型构件制备中的应用。此外，由于TiAl合金中Ti元素活性较高，现有制粉工艺下粉末产量和收得率相对较低，导致粉末的生产成本较高。
现有技术中采用熔丝沉积的方法能够解决上述问题，且熔丝沉积技术加工效率高、自由度高，尤为适合制备大尺寸构件。但是，TiAl合金室温塑性差难以实现拉丝成型，直接采用TiAl合金丝进行熔丝增材制造的可行性极低。公开号分别为CN110605462A、CN112139650A和CN112139649A的三项发明专利均涉及熔丝沉积TiAl合金的制备方法，这三项发明专利采用了双丝送丝的方法，通过控制钛丝和铝丝的双丝送丝机构制备TiAl合金。但是，双丝送丝机构一方面增加了设备成本，另一方面增加了设备运动机构的复杂程度，在沉积过程中势必会由于运动干涉等问题影响金属沉积路径，不利于制备结构复杂的金属构件，具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝的制备方法。该方法通过对Ti/Al复合丝内芯材料和外层材料的成分及横截面积设计，保证了制备过程中外层材料与内芯材料协同变形，并满足TiAl合金的原子百分比要求，解决了TiAl合金室温塑性差难以实现拉丝成型、难以用于增材制造的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝，其特征在于，该Ti/Al复合丝由内芯材料和包覆在内芯材料上的外层材料制成；所述外层材料为钛管或钛合金管，内芯材料为铝棒或铝合金棒，且外层材料与内芯材料的横截面积之比为0.8~1.3：1。
本发明的Ti/Al复合丝由铝棒或铝合金棒内芯材料与钛管或钛合金管外层材料制成，由于钛及钛合金、铝及铝合金的延展性均较好，退火态延伸率可达8%以上，远大于TiAl合金（室温延伸率≤2%），将强度相对较高的外层材料钛管或钛合金管包覆内芯材料铝棒或铝合金棒，保证了制备过程中外层材料与内芯材料协同变形，避免了外层材料与内芯材料变形不均匀的情况；同时结合控制外层材料与内芯材料的横截面积之比，使得Ti/Al复合丝在制备过程即旋锻与拉拔工艺中具有足够的强度，保证了旋锻与拉拔工艺的顺利进行，得到均匀致密的Ti/Al复合丝，并同时保证了Ti/Al复合丝中Ti与Al的含量满足TiAl合金的原子百分比要求，解决了TiAl合金室温塑性差难以实现拉丝成型、难以用于增材制造的问题，实现了采用单根Ti/Al复合丝经增材制造制备TiAl合金，尤其适用于制备大尺寸、结构复杂的金属构件。
本发明的Ti/Al复合丝适用于冷金属过渡增材制造、等离子弧增材制造、电弧增材制造、电子束熔丝增材制造及激光熔丝增材制造等多种熔丝增材技术，也可用于堆焊修复等技术领域。
上述的增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝，其特征在于，所述外层材料钛合金管或/和内芯材料铝合金棒中添加有合金元素、微量元素或稀土元素，所述合金元素为Nb、W、Mo、Ta、Fe、Zr、V、Cr和Mn中的一种或两种以上，所述微量元素为B、C和Si中的一种或两种以上，所述稀土元素为La、Y和Gd中的一种或两种以上。
本发明根据目标产物实际应用的性能需求，对Ti/Al复合丝中各结构的成分进行调控，既可以采用现有牌号的内芯材料和外层材料，也可采用定制合金化成分设计的方法，单独或分别对内芯材料和外层材料的成分进行调节，通过添加合金元素、微量元素或稀土元素，使得制备的TiAl合金具有优异的高温力学性能、抗氧化性能，且用于增材制造后形成的构件组织均匀且不开裂。
另外，本发明还提供了一种制备上述的增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物Ti/Al复合丝的制成，选取外层材料和内芯材料依次进行酸洗和超声清洗，得到洁净的外层材料和内芯材料；
步骤二、将步骤一中得到的洁净的内芯材料导入洁净的外层材料中，得到复合丝坯料；
步骤三、将步骤二中得到的复合丝坯料依次进行旋锻和中间退火处理，得到复合金属丝坯料；
步骤四、将步骤三中得到的复合金属丝坯料依次进行拉拔和中间退火处理，得到Ti/Al复合丝。
本发明在综合考虑 Ti 与 Al 物化特性差异的基础上，采用室温条件下固-固复合的方法，将外层材料和内芯材料处理后进行导入装配，然后依次经旋锻和拉拔进行减径，制备得到Ti/Al复合丝，通过优化调节旋锻和拉拔的道次变形量及退火温度区间，控制界面反应，在抑制 Ti/Al 界面金属间化合物生成的同时实现组织均匀性与性能一致性良好的Ti/Al 复合丝制备，避免了热加工过程中Ti/Al界面产生脆性金属间化合物导致开裂，保证了Ti/Al复合丝内芯与外层之间界面结合力。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为20%~40%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，去应力退火的温度为600℃~630℃，时间为60min~90min。
上述的方法，其特征在于，所述拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为10%~20%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，去应力退火的温度为550℃~600℃，时间为60min~90min。
本发明通过在旋锻和拉拔过程中选取较低的退火温度以及较长的保温时间进行去应力退火，避免了高温下铝与钛生成脆性金属间化合物的同时有效去除加工硬化，从而实现了Ti/Al 复合丝的高成材率及批量生产。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的Ti/Al复合丝由铝棒或铝合金棒内芯材料和钛管或钛合金管外层材料制成，保证了制备过程中外层材料与内芯材料协同变形，结合控制外层材料与内芯材料的横截面积之比，保证了Ti/Al复合丝的顺利成型并满足TiAl合金的原子百分比要求，解决了TiAl合金室温塑性差难以实现拉丝成型、难以用于增材制造的问题，实现了采用单根Ti/Al复合丝经增材制造制备TiAl合金。
2、本发明通过对内芯材料和外层材料的成分进行合金化设计，实现了Ti/Al复合丝的成分定制化，满足了不对性能需求的TiAl合金的增材制造。
3、本发明的Ti/Al复合丝的形态均匀，结构致密，作为熔丝沉积TiAl合金，具有沉积效率高、自由度高的优点，制备的TiAl合金表面平整光滑，成型质量良好，无焊瘤、氧化、开裂或孔隙等缺陷，尤为适合制备大尺寸TiAl合金构件。
4、本发明的制备过程中，通过优化调节旋锻和拉拔的道次变形量及退火温度区间，控制界面反应，在抑制 Ti/Al 界面金属间化合物生成的同时实现组织均匀性与性能一致性良好的 Ti/Al 复合丝制备，避免了热加工过程中Ti/Al界面产生脆性金属间化合物导致开裂，提高了Ti/Al复合丝的质量。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的Ti/Al复合丝的宏观形貌图。
图2是本发明实施例1制备的Ti/Al复合丝的截面形貌图。
图3是本发明实施例1制备的Ti/Al合金的宏观形貌图。
图4是本发明实施例1制备的Ti/Al合金的微观组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝由内芯材料1080铝棒和包覆在内芯材料上的外层材料TA1钛管制成；所述TA1钛管与1080铝棒的横截面积之比为0.93：1。
本实施例增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物Ti/Al复合丝的制成，选取Φ15mm×2.1mm（外径×壁厚）的TA1钛管和Φ10.8mm×1m（直径×长度）的1080铝棒依次进行酸洗和超声清洗，得到洁净的TA1钛管和1080铝棒；
步骤二、将步骤一中得到的洁净的1080铝棒导入洁净的TA1钛中，得到复合丝坯料；
步骤三、将步骤二中得到的复合丝坯料依次进行旋锻和中间退火处理，得到复合金属丝坯料；所述旋锻和中间退火处理的制度为：当经两道次旋锻后旋锻变形量为40%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，去应力退火的温度为630℃，时间为60min；
步骤四、将步骤三中得到的复合金属丝坯料依次进行拉拔和中间退火处理，得到直径为2mm的Ti/Al复合丝；所述拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为20%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，退火的温度为600℃，时间为90min。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，并对TiAl合金进行宏观形貌检测和微观组织观察。
图1是本实施例制备的Ti/Al复合丝的宏观形貌图，从图1中可以看出，本实施例制备的Ti/Al复合丝成型质量良好，表面光滑呈银白色金属光泽。
图2是本实施例制备的Ti/Al复合丝的截面形貌图，从图2中可以看出，该Ti/Al复合丝界面结合率良好，无孔洞、裂纹等缺陷。
图3是本实施例制备的Ti/Al合金的宏观形貌图，从图3中可以看出，该Ti/Al合金的表面平整光滑，成型质量良好，无焊瘤、氧化等缺陷。
图4是本实施例制备的Ti/Al合金的微观组织图，从图4中可以看出，该Ti/Al合金的显微组织由片层状的γ-TiAl相及少量的等轴α2-Ti3Al制成，为典型的TiAl合金组织，且无开裂或孔隙等缺陷。
本实施例的外层材料钛合金管或/和内芯材料铝合金棒中还可添加有合金元素、微量元素或稀土元素，所述合金元素为Nb、W、Mo、Ta、Fe、Zr、V、Cr和Mn中的一种或两种以上，所述微量元素为B、C和Si中的一种或两种以上，所述稀土元素为La、Y和Gd中的一种或两种以上。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为30%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为610℃，时间为70min；步骤四中拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为10%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为550℃，时间为60min。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为25%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为600℃，时间为90min；步骤四中拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为15%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为580℃，时间为80min。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为25%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为620℃，时间为80min；步骤四中拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为12%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为560℃，时间为70min。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中采用的外层材料为TA1钛管，内芯材料为3003铝锰合金棒，且TA1钛管与3003铝锰合金棒的横截面积之比为0.8：1。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中采用的外层材料为TA18钛合金管；步骤三中旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为20%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为630℃，时间为90min；步骤四中拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为12%时进行去应力退火，所述去应力退火的温度为600℃，时间为80min。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中采用的外层材料为TA11钛合金管，且TA11钛合金管与铝棒的横截面积之比为1.13：1。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例8
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中采用的外层材料为TB2钛合金管。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
实施例9
本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤一中采用的外层材料为TB9钛合金管，且TB9钛合金管与铝棒的横截面积之比为1.3：1。
将本实施例制备的Ti/Al复合丝采用电弧增材制造的方式制备TiAl合金，得到的TiAl合金成型质量良好，表面平整光滑，无开裂、孔隙、焊瘤、氧化等缺陷。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝的制备方法，其特征在于，该Ti/Al复合丝由内芯材料和包覆在内芯材料上的外层材料制成；所述外层材料为钛管或钛合金管，内芯材料为铝棒或铝合金棒，且外层材料与内芯材料的横截面积之比为0.8~1.3：1，该Ti/Al复合丝由包括以下步骤的方法制备得到：
步骤一、根据目标产物Ti/Al复合丝的组成，选取外层材料和内芯材料依次进行酸洗和超声清洗，得到洁净的外层材料和内芯材料；
步骤二、将步骤一中得到的洁净的内芯材料导入洁净的外层材料中，得到复合丝坯料；
步骤三、将步骤二中得到的复合丝坯料依次进行旋锻和中间退火处理，得到复合金属丝坯料；为避免Ti/Al界面生成脆性产物导致开裂，所述旋锻和中间退火处理的制度为：当旋锻变形量为20%~40%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，去应力退火的温度为600℃~630℃，时间为60min~90min；
步骤四、将步骤三中得到的复合金属丝坯料依次进行拉拔和中间退火处理，得到直径0.8~2.4mm的Ti/Al复合丝；为避免Ti/Al界面生成脆性产物导致开裂，所述拉拔和中间退火处理的制度为：当拉拔变形量为10%~20%时进行去应力退火，所述去应力退火在真空管式炉中进行，去应力退火的温度为550℃~600℃，时间为60min~90min。
2.根据权利要求1所述的增材制造TiAl合金用Ti/Al复合丝的制备方法，其特征在于，所述外层材料钛合金管或/和内芯材料铝合金棒中添加有合金元素、微量元素或稀土元素，所述合金元素为Nb、W、Mo、Ta、Fe、Zr、V、Cr和Mn中的一种或两种以上，所述微量元素为B、C和Si中的一种或两种以上，所述稀土元素为La、Y和Gd中的一种或两种以上。
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