CN114318056A

CN114318056A - 一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti2AlNb合金及其制造方法

Info

Publication number: CN114318056A
Application number: CN202111527358.6A
Authority: CN
Inventors: 王廷; 陈智超; 张亮; 蒋思远; 于斌
Original assignee: Shenzhen Polytechnic; Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Shenzhen Polytechnic; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-14
Also published as: CN114318056B

Abstract

本发明涉及一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti₂AlNb合金及其制造方法，使用TiAlNb粉芯丝材配合纯Ti丝，进行双丝Ti₂AlNb合金的电子束增材沉积。本发明提供的方法通过调节双丝的角度、丝极间距等措施使得粉芯丝材和纯Ti丝在相同的送丝速度下连续均匀地过度到熔池中。采用AlNb这种1605℃熔点的化合物和1668℃的Ti熔点接近，这样获得的增材件沉积元素分布均匀不存在偏析，而且沉积件成分细微可调，组织均匀，能够实现电子束增材制造Ti₂AlNb合金。

Description

一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti2AlNb合金及其制造方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti2AlNb合金及其制造方法。

背景技术

进入21世纪，先进航空发动机正朝着高效率、长寿命、低成本的方向发展，轻量化、整体化以及低成本运行成为发动机结构设计、材料应用和制造技术共同面对的严峻挑战，解决这个挑战主要从提高航空发动机的推重比来解决。除了通过加重燃油来获得强大的驱动力之外，提高先进航空发动机推重比50％-70％的贡献来自于先进航空高温结构材料及相关制备技术，为了获得更大的推重比，可以通过减小发动机的自重来实现，因此，发展新型的轻量化高温结构材料是下一代先进航空发动机研制的关键技术瓶颈之一。

Ti₂AlNb合金是TiAl系合金中拓展出的适合在650℃～750℃范围内使用的轻质高温结构材料。Ti₂AlNb合金相比于TiAl合金具有更高的强度和更好的断裂韧性，其优异的综合力学性能适应了未来航空发动机对高强度、高比刚度的轻质高温结构材料的迫切要求，对于降低飞行器的自重、提高燃油效率和高温服役性能具有重要意义。

关于Ti₂AlNb合金的制备方法近年来受到越来越多的学者关注。目前已知的制备方法如下：

采用感应熔炼气体雾化法制备Ti-22Al-24Nb-0.5Mo预合金粉末后,需要对预合金粉末进行后续的热等静压致密化处理，粉末的致密化过程包括(1)将预合金粉末填充到低碳钢包套中，同时需获得高的振实密度；(2)采用机械泵和分子泵进行真空脱气；(3)采用氩弧焊对低碳钢包套进行封焊；(4)选择合适的温度、压力和保温时间进行热等静压。

采用热等静压工艺制备粉末Ti₂AlNb合金时，适合Ti₂AlNb预合金粉末的热等静压温度是 980～1030℃,在这个热等静压温度区间进行致密化成形均能获得接近理论全致密度的粉末合金，粉末Ti₂AlNb合金热等静压温度为1030～1050℃，压力在130MPa以上，并保温保压3h, 在此条件下可得到孔隙缺陷少、显微组织均匀的粉末Ti₂AlNb合金。

但是上述现有方法都存在以下的缺点：

1.工艺繁琐，需要预合金化以及制胚和热变形联合加工工艺。

2.粉末成本高昂，生产效率低下。

3.粉末冶金工艺所制备的Ti₂AlNb合金的致密度不足，存在孔隙。

发明内容

本发明提供一种双丝粉芯丝材电子束增材制造Ti₂AlNb合金的方法，成功解决了采用双丝粉芯丝材电子束增材制造Ti₂AlNb合金的技术难题，克服了这三种元素熔点差距极大所带来的成分偏析问题，提供了一种新的制备Ti₂AlNb合金的工艺方法。

电子束增材制造Ti₂AlNb有着诸多的优势，效率高，成本低，真空保护效果好，采用电子束作为热源将双丝同时熔化，合金化程度高，基本上不存在成分偏析，获得的增材件结构致密，性能优越，能够满足一般工业生产上的应用。

具体的技术方案：

一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，使用TiAlNb粉芯丝材配合纯Ti丝，进行双丝Ti₂AlNb合金的电子束增材沉积；所述Ti₂AlNb合金成分通常为 Ti-18％～30％Al-12.5％～30％Nb。

具体包括以下步骤：

步骤一：TiAlNb合金粉芯丝材的制备；以纯铝带为外皮，铝带的厚度为0.3-0.5mm，宽度为8.0-10.0mm；以AlNb合金粉末混合TiH₂粉为内部的填充粉，粉末的粒度在53-105um之间，两种粉末总的填充率在70～88％之间，AlNb与TiH₂的质量比为1.1:1～1.2:1，经过填粉和减径两个过程，最终获得直径为

的TiAlNb粉芯丝材；

步骤二：将

TiAlNb合金粉芯丝材和纯Ti丝作为两种焊丝分别安装到两台送丝机上，两种焊丝与基板之间的夹角为20°；调整好两种焊丝的间距、双送丝之间的夹角以及与这两种焊丝与电子束枪之间的距离；

步骤三：采用加热元件对基板进行预热，设定合适的焊接参数，调整送丝机行走平台的程序；

步骤四：启动焊机、送丝机、行走平台电源，使送丝机行走平台相对于电子束枪移动，按照程序所设定的路线开始沉积过程；预设路径沉积完成后，停止送丝，断束，直至焊接件凝固，电子束枪回到初始位置继续下一次的行走过程；

步骤五：保证层间温度值处于相同的一个范围，重复步骤四，直至沉积件尺寸达到预定的设计，获得预设尺寸的Ti₂AlNb合金。

所述的两种焊丝位于电子束枪的同侧，两种焊丝之间的夹角在30～60°之间。

所述的基板为纯Ti板，基板预热温度为400℃～500℃。

步骤三所述的焊接参数的电子束流为10～100mA、送丝速度一致，均为65～75cm/min。

步骤四中送丝机行走平台相对于电子束枪的移动速度为50～150mm/min。

本发明通过金属粉芯与实心焊丝组合，通过设定好双焊丝的夹角、丝束间距以及保证焊丝在平台行走过程中处于合适的熔滴过渡形式，合适的熔滴过渡形式避免“吹粉”现象的发生。因为无论是Ti还是Al₃Nb化合物的熔点都远远高于Al的熔点，在这样的情况下特别容易发生在焊丝接触电子束的瞬间铝带就熔化，铝带所包裹的粉末就会暴露，在真空吸力的作用下出现“吹粉”现象，造成成分的改变和不均匀。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的方法通过调节双丝的角度、丝束间距等措施使得粉芯丝材和纯Ti丝在相同的送丝速度下连续均匀地过度到熔池中。采用AlNb这种1605℃熔点的化合物和1668℃的Ti 熔点接近，这样获得的增材件沉积元素分布均匀不存在偏析，而且沉积件成分细微可调，组织均匀，能够实现电子束增材制造Ti₂AlNb合金。

1.可以实现高效率制备Ti₂AlNb合金，无论是在市场商业用途还是科学研究领域都有着很好的前景。

2.产品多样化的同时对于成本的控制很好，只需改变行走程序或者设定好相应的零件尺寸就可以实现Ti₂AlNb合金在不同领域的应用。

3.生产周期短，工艺简单容易操作，过程危险系数小。

附图说明

图1为实施例1的增材示意图；

图2为实施例1获得的增材件；

图3为实施例2获得的增材件；

图4为实施例获得的增材件拉伸性能试样。

具体的实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

实施例1

一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，该方法使用TiAlNb粉芯丝材配合纯 Ti丝进行双丝Ti₂AlNb合金的电子束增材制造。如图1所示，本实施方法所使用的焊机为电子束枪7；所用送丝机为WF-007A冷填丝氩弧焊送丝机，设有第一送丝软管6、第二送丝软管5；所采用的焊材为

的TiAlNb粉芯丝材和市场上商业用1.0mm的纯Ti丝。

具体包括以下步骤：

步骤一：TiAlNb粉芯丝材的制备。

以8mm宽0.3mm厚的纯铝带作为焊丝的外皮，铝含量为99.9％以上，以TiH₂粉混合Al₃Nb 合金粉末为内部填充的主要成分。AlNb粉末与TiH₂粉粉末的质量比为：1:1。粉芯的填充率应该在85％左右。确定好填充率之后，设定合适的拉丝机转速，通过一连续的减径工作，获得合适的

的TiAlNb粉芯丝材。

步骤二：预热基板，调整双丝与基板的夹角为20°，双丝之间的夹角为30°～60°之间。

本实施例选择纯钛板作为基板3，将基板3置于加热元件2上，确定基板3的预热温度。根据基板3尺寸确定电子束枪7的起始位置和增材件的设计尺寸，打开加热元件2的电源开关进行预热，预热温度设定为460℃。

步骤三：打开焊机、送丝机、机床电源，设定焊接参数，设定好双丝的送进速度以及机床行走程序，两根送丝软管表面均被耐火材料包裹，防止温度过高烧坏送丝软管。

本实施例以行走平台1的方向为前方，第一送丝软管6、第二送丝软管5与基板1之间的夹角为20°，TiAlNb粉芯丝材的第二送丝软管5与行走方向处于同一水平线，外加的纯Ti 丝送的第一送丝软管6与第二送丝软管5之间的夹角为30°。打开焊机电源8，设定好行走平台1的程序，调成束流为50mA，两台送丝机的第一送丝软管6、第二送丝软管5送丝速度为70cm/min。

步骤四：启动焊接电源电子束枪7出束，启动双送丝机往熔池中送进焊丝，启动行走平台1，按照设定的程序相对于电子束枪7运动，开始增材件4的沉积；使行走平台1与电子束枪7之间产生相对运动，按照事先设定好的程序路径行走，行走速度为150mm/min，预设程序走完之后，停止送丝，电子束枪7收束，行走平台1按照程序又回到最开始起始的位置进行下一层的沉积。

步骤五：真空仓内的红外测温仪对沉积的增材件4层间温度进行测量，控制好层间温度处于400～500℃之间，重复步骤四，直至沉积的增材件4尺寸达到预定设计，获得Ti-25Al-17Nb 合金，如图2所示。

实施例2

的TiAlNb粉芯丝材和市场上商业用1.2mm的纯Ti丝。

具体包括以下步骤：

步骤一：TiAlNb粉芯丝材的制备。

以8mm宽0.3mm厚的纯铝带作为焊丝的外皮，铝含量为99.9％以上，以TiH₂粉混合AlNb 合金粉末为内部填充的主要成分。AlNb粉末与TiH₂粉粉末的质量比为：1.2:1。粉芯的填充率应该在88％。确定好填充率之后，设定合适的拉丝机转速，通过一连续的减径工作，获得合适的

的TiAlNb粉芯丝材。

本实施例选择纯钛板作为基板3，将基板3置于加热元件2上，确定基板3的预热温度。根据基板3尺寸确定电子束枪7的起始位置和增材件的设计尺寸，打开加热元件2的电源开关进行预热，预热温度设定为500℃。

本实施例以行走平台1的方向为前方，第一送丝软管6、第二送丝软管5与基板1之间的夹角为20°，TiAlNb粉芯丝材的第二送丝软管5与行走方向处于同一水平线，外加的纯Ti 丝送的第一送丝软管6与第二送丝软管5之间的夹角为30°。打开焊机电源8，设定好行走平台1的程序，调成束流为50mA，两台送丝机的第一送丝软管6、第二送丝软管5送丝速度为65cm/min。

步骤五：真空仓内的红外测温仪对沉积的增材件4层间温度进行测量，控制好层间温度处于400～500℃之间，重复步骤四，直至沉积的增材件4尺寸达到预定设计，获得Ti-30Al-15Nb 合金合金，如图3所示。

如图4，对于所获得的增材件进行性能测试，测试结果如下表1所示；

表1

	硬度/Hv	拉伸强度/MPa
			实施例1	564	906-925
实施例2	587	847-894

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，使用TiAlNb粉芯丝材配合纯Ti丝，进行双丝Ti₂AlNb合金的电子束增材沉积；所述Ti₂AlNb合金成分为Ti-18％～30％Al-12.5％～30％Nb。

2.根据权利要求1所述的一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

的TiAlNb粉芯丝材；

步骤二：将

3.根据权利要求2所述的一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，所述的两种焊丝位于电子束枪的同侧，两种焊丝之间的夹角在30～60°之间。

4.根据权利要求2所述的一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，所述的基板为纯Ti板，基板预热温度为400℃～500℃。

5.根据权利要求2所述的一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，步骤三所述的焊接参数的电子束流为10～100mA、送丝速度一致，均为65～75cm/min。

6.根据权利要求2所述的一种双丝粉芯丝材增材制造Ti₂AlNb合金的方法，其特征在于，步骤四中送丝机行走平台相对于电子束枪的移动速度为50～150mm/min。

7.一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti₂AlNb合金，其特征在于，通过权利要求1到6任一项所述的制造方法所得。