CN113909496B - 一种钛合金打印件的制备方法、钛合金打印件及航空器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种航空器钛合金打印件的制备方法及钛合金打印件热后处理工艺，包括以下步骤：S1：制取掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末；S2：激光选区熔化加工；所述S2包括以下步骤：S21：基板预热；S22：将S1制取的与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末送到激光成型区域进行激光逐层烧结形成若干混合粉末层；S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得钛合金打印件。本申请通过在Ti‑55531钛合金中掺杂Nb，利用45‑75μm的粉末进行增材制造。通过三种不同热处理工艺，提高钛合金的强度和塑性，以提高钛合金打印件的综合力学性能。

Description

一种钛合金打印件的制备方法、钛合金打印件及航空器
技术领域
本申请涉及一种钛合金打印件的制备方法、钛合金打印件及航空器。
背景技术
钛合金由于其高强度、良好的耐蚀性以及耐热性等特性被广泛的应用于航空航天领域中。
Ti-55531钛合金是由俄罗斯VSMPO公司与欧洲空客公司联合开发的一种新型高强高韧近β钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr。该合金是一种高强度和高合金化的钛合金。
但是，传统锻造加工工艺已经不能满足对于钛合金高机械性能以及复杂结构的要求。近年来，激光增材制造技术为制造复杂结构提供了一种全新的方法。然而，增材制造技术所制造的钛合金通常不能达到要求的锻造标准。激光选区熔化技术是一种比较常用的金属3D打印技术。该技术利用刮刀将金属粉末铺设在成型区，然后使用高能激光束对粉末层进行烧结。由于是一种点对点逐层烧结的模式，该过程和焊接类似，凝固和相变都在狭小的熔池内快速发生。在使用传统牌号的成分进行打印时，由于熔池内部温度梯度较高，冷却速率较快，往往会发生非平衡相变，产生一些非平衡凝固相，导致力学性能较差，达不到应用要求。例如，航空航天常用的Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr合金在打印时，由于上述的效益存在，使得打印后的材料仅为亚稳β相，没有α相析出，且竖直方法存在粗大的柱状晶，其拉伸强度仅为810MPa、延伸率20％、断裂韧性36MPa·m1/2，存在各向异性，综合力学性能远低于锻造Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr合金的拉伸强度1200MPa、延伸率10.5％、断裂韧性55MPa·m1/2，不能用于航空航天中。
申请内容
基于上述问题，本发明通过在Ti-55531钛合金中掺杂Nb，利用45-75μm的粉末进行增材制造。通过三种不同热处理工艺，提高钛合金的强度和塑性。提高钛合金的综合力学性能。
技术方案是：一种钛合金打印件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制取掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末；
S2：激光选区熔化加工；
所述S2包括以下步骤：
S21：基板预热；
S22：将S1制取的与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末送到激光成型区域进行激光逐层烧结形成若干混合粉末层；
S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得钛合金打印件。
可选地，所述钛合金为Ti-55531合金。
可选地，所述S23中，退火参数为β相区≧849℃，1.5h，空冷；600℃6h，空冷；或
所述S23中，退火参数为β相区≧849℃，1.5h，炉冷；α/β两相区≤849℃，1.5h，空冷；600℃6h，空冷；或
所述S23中，退火参数为α/β两相区≤849℃，1.5h，空冷；600℃6h，空冷。
可选地，所述S22中，所述逐层烧结的每层的烧结参数为激光功率150-200W，扫描间距100-130μm，stripe扫描策略。
可选地，所述S22中，所述若干混合粉末层的每层的层厚为60-80μm。
可选地，所述S1中，掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末的制备方法为：所述S1中，掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末的制备方法为：取Ti-55531粉末和与钛合金相异的金属球磨。
可选地，所述混合粉末中Al含量为5wt％，Mo含量为5wt％，V含量为5wt％，Cr含量为3wt％，Zr含量为1wt％，与钛合金相异的金属含量为1wt％-2wt％，余量为Ti。
可选地，S1中，与钛合金相异的金属为Nb。
第二方面，本申请还提供一种钛合金打印件。
技术方案是：一种钛合金打印件，所述钛合金打印件由上述的方法制备而成；可选地，该钛合金打印件相对密度为99.95％，钛合金打印件相对密度为99.95％，强度1300～1500MPa，延伸率1.5％～10％，断裂韧性40～65MPa·m1/2。
第三方面，本申请还提供一种航空器。
技术方案是：一种航空器，该航空器采用有上述的钛合金打印件。
可选地，所述航空器为飞机。
申请原理及有益效果：
本申请通过在Ti-55531钛合金中掺杂Nb进行增材制造。通过三种不同热处理工艺，提高钛合金的强度和塑性。提高钛合金的综合力学性能。
本申请掺杂Nb粉，并通过激光选区熔化技术，最后对试样进行三种不同方式退火，提升了Ti-55531合金的综合力学性能。
附图说明
图1为本申请Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件的流程图；
图2为本申请实施例2退火工艺图；
图3为本申请实施例3退火工艺图；
图4为本申请实施例4退火工艺图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请作进一步说明。
本申请Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件的流程如图1，下面实施例1-5为根据该流程的具体实施例。
实施例1
一种Ti-55531合金和Nb混合粉末的制备方法，包括以下步骤：
取Ti-55531和Nb(Ti-55531和Nb均为市售)加入全方位行星式球磨机球磨3-6h成掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末，混合粉末粒径为45-75μm，混合粉末中，Al含量为5wt％，Mo含量为5wt％，V含量为5wt％，Cr含量为3wt％，Zr含量为1wt％，Nb含量为1wt％-2wt％，余量为Ti。
实施例2
一种Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制取实施例1的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末。
S2：激光选区熔化加工。
S2的激光选区熔化加工包括以下步骤：
S21：基板预热150℃。基板为现有的锻造件Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr合金(即背景技术中的Ti-55531钛合金)。
S22：利用软刮刀将S1中的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末刮到激光成型区域进行激光逐层烧结形成若干混合粉末层，每层混合粉末的层厚为60-80μm。每层的烧结参数相同，最后得到块体(块体由若干混合粉末层组成)。每层的激光烧结中，激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb3D打印件A，退火参数为β相区(880℃)固溶1.5h，空冷；600℃时效6h，空冷，如图2。第一平台期间，原本组织中含有的亚结构和α相因高温保温而消失，获得等轴β组织。第二平台期间，过饱和固溶相(片层αs)析出，形成均匀细小的片层组织。
实施例3
一种Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制取实施例1的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末。
S2：激光选区熔化加工。
S2的激光选区熔化加工包括以下步骤：
S21：基板预热150℃。
S22：利用软刮刀将S1中的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末刮到激光成型区域进行激光逐层烧结形成若干混合粉末层，每层混合粉末的层厚为60-80μm。每层的烧结参数相同，最后得到块体(块体由若干混合粉末层组成)。每层的激光烧结中，激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb3D打印件B，退火参数为β相区880℃1.5h，炉冷；α/β两相区750℃1.5h，空冷；600℃6h，空冷，如图3。第一平台期间，原本组织中含有的亚结构和α相因高温保温而消失，获得等轴β组织。第二平台期间，αp优先在β晶界处析出，形成αp片层组织。第三平台期间，过饱和固溶相(片层αs)析出，最终形成双片层组织。
实施例4
一种Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制取实施例1的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末。
S2：激光选区熔化加工。
S2的激光选区熔化加工包括以下步骤：
S21：基板预热150℃。
S22：利用软刮刀将S1中的掺杂有Nb的Ti-55531合金混合粉末刮到激光成型区域进行激光逐层烧结形成若干混合粉末层，每层混合粉末的层厚为60-80μm。每层的烧结参数相同，最后得到块体(块体由若干混合粉末层组成)。每层的激光烧结中，激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb3D打印件C，退火参数为α/β两相区790℃1.5h，空冷；600℃6h，空冷，如图4。第一平台期间，αp优先在β晶界内析出，形成棒状的αp组织。第二平台期间，过饱和固溶相(细小的片层αs)析出，最终形成双态组织。
实施例2-4中，激光光斑尺寸为40μm。
实施例5
将Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件A-C采用阿基米德法分别测试，相对密度为99.95％。
将退火后的块体得Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件A-C进行机械性能测试：
Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件A拉伸强度1500MPa，延伸率1.5％，断裂韧性40MPa·m1/2。
Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件B拉伸强度1350MPa，延伸率5％，断裂韧性58MPa·m1/2。
Ti-55531高强高韧钛合金掺杂Nb 3D打印件C拉伸强度1280MPa,延伸率10％，断裂韧性65MPa·m1/2。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钛合金打印件的制备方法，包括以下步骤：
S1：制取掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末，混合粉末中与钛合金相异的金属含量为1wt%-2wt%；所述钛合金为Ti-55531合金，与钛合金相异的金属为Nb；
S2：激光选区熔化加工；
所述S2包括以下步骤：
S21：基板预热；
S22：将S1制取的掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末送到激光成型区域形成若干混合粉末层，进行激光逐层烧结；所述S22中，所述激光逐层烧结的每层的烧结参数为激光功率150-200 W，扫描间距100-130μm，stripe扫描策略；
S23：退火：采用热处理工艺对块体进行退火得钛合金打印件；
所述S23中，退火参数为β相区≧849℃，1.5h，空冷；600℃ 6h，空冷；获得单片层组织，或
所述S23中，退火参数为β相区≧849℃， 1.5h，炉冷；α/β两相区≤849℃， 1.5h，空冷；600℃ 6h，空冷，获得双片层组织；或
所述S23中，退火参数为α/β两相区≤849℃，1.5h，空冷；600℃ 6h，空冷，获得双态组织。
2.根据权利要求1所述的钛合金打印件的制备方法，其特征在于：所述S22中，所述激光逐层烧结的每层粉末的层厚为60-80μm。
3.根据权利要求1-2任一所述的钛合金打印件的制备方法，其特征在于：
所述S1中，掺杂有与钛合金相异的金属的钛合金混合粉末的制备方法为：取Ti-55531粉末和与钛合金相异的金属进行金属球磨。
4.根据权利要求1-2任一所述的钛合金打印件的制备方法，其特征在于：所述混合粉末中，Al含量为5wt%，Mo含量为5wt%，V含量为5wt%，Cr含量为3wt%，Zr含量为1wt%，与钛合金相异的金属含量为1wt%-2wt%，余量为Ti。
5.一种钛合金打印件，其特征在于：所述钛合金打印件由权利要求1-4任一所述的方法制备而成。
6.根据权利要求5所述的钛合金打印件，其特征在于：该钛合金打印件相对密度为99.95%，强度1300~1500MPa，延伸率1.5%~10%，断裂韧性40~65 MPa·m1/2。
7.一种航空器，其特征在于：该航空器采用有权利要求5-6任一所述的钛合金打印件。
8.根据权利要求7所述的航空器，其特征在于：所述航空器为飞机。
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