CN114540667A - 一种高韧钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧钛合金及其增材制备方法，本发明高韧钛合金按质量百分比计，包括，Al：4.3%‑5.0%；2.5‑3.3%Mo；2.0‑2.5%Zr；0.1‑0.2%Si；0.5‑2.2%Cu；余量为Ti和不可避免的杂质。本发明的高韧钛合金通过加入铜，细化钛合金晶粒尺寸和α相的尺寸，延缓裂纹扩展速度，提高钛合金的断裂韧性，同时通过对加工过程的氧含量控制，严格保持钛合金中的低氧含量，通过热处理工艺设计获得了优异的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造钛合金的方法，尤其是涉及一种高韧钛合金及其增材制备方法。
背景技术
航空主承力结构的轻量化和高安全特性要求机体材料具有优异的综合力学性能。结构选材时除强调静强度和疲劳性能指标外，对于损伤容限特性更为关注。受制于金属材料强度和韧性的固有矛盾，高强度钛合金普遍断裂韧性较差，疲劳裂纹扩展速率较高。为满足航空关键承力构件损伤容限要求，国内外主要通过合金成分控制、热机械加工和热处理等多方面措施改善钛合金的损伤容限性能，其本质是通过降低材料的静强度提高韧性。随着航空主承力结构损伤容限理念的发展和轻量化要求的提高，航空装备对高强、高韧钛合金需求日益迫切。结构材料要同时满足高强度和高韧性的综合力学性能要求，这些性能又对材料组织结构协调提出了更高的要求。
铜元素作为钛合金的β稳定元素，加入到钛合金中可同时细化钛合金的晶粒尺寸和α相的尺寸，延缓裂纹扩展速度，提高钛合金的断裂韧性。铜元素也具有较强的固溶强化作用，能够提高钛合金的强度。另外，铜的加入有利于获得特种双态显微组织，提高钛合金的性能。但是，采用传统的铸造+锻造的方法，铜元素极易偏析，易在钛合金中形成富铜区域，生成有害的脆性金属间化合物相，严重恶化钛合金力学性能，同时也会导致锻造过程极易开裂。
金属增材制造技术是将快速原型技术和金属熔覆技术相结合的一种先进制造技术。增材制造过程中，高能热源不断形成微小熔池，微小熔池内部金属原材料进行冶金反应，可实现高性能材料制备与复杂构件制造一步完成。增材制造技术高度柔性的特质可以实现高性能非平衡材料与复杂结构制造，成形构件具有无宏观偏析、成分均组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。利用高能热源直接制造金属零件的增材制造技术已广泛应用于航空、航天和国防科技中高温合金、钛合金、高强钢、金属基复合材料、金属间化合物等材料高性能关键零部件的快速成形制造或修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧钛合金及其增材制备方法，利用增材制造技术同时实现材料制备和成形。
第一，本发明提供一种高韧钛合金，按质量百分比计，包括，Al：4.3%-5.0%；2.5-3.3%Mo；2.0-2.5%Zr；0.1-0.2%Si；0.5-2.2%Cu；余量为Ti和不可避免的杂质。
进一步优选的，Cu的含量为1.0-1.5%。
进一步优选的，所述高韧钛合金的显微组织为网篮组织，α相的体积分数为75-85%，α相的晶粒大小为1.1-1.4μm。
进一步优选的，所述高韧钛合金的断裂韧性为125
以上，屈服强度为1000MPa以上。
第二，本发明还提供了上述技术方案所述的高韧钛合金的高能束增材制备方法，包括以下步骤：
1）采用预合金化法或保护气氛混粉法制粉，以使得制得的粉末配比满足所述高韧钛合金的成分要求；
2）在保护气氛下将所述制得的粉末送粉，采用高能束增材制造方式定向沉积钛合金；
3）将增材制造得到的钛合金进行975-985℃/2h/空冷+725-735℃/4h退火条件的热处理。
进一步优选的，步骤1）中采用保护气氛混粉法制粉，具体为采用预合金粉和铜粉为原料，在惰性气氛的手套箱中进行整个混粉过程。
进一步优选的，所述惰性气氛的氧含量为100ppm以下。
进一步优选的，所述预合金粉组成为Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu。
进一步优选的，所述高能束增材制造方式定向沉积采用激光束，且激光功率选用4-6kW，光斑直径6-10mm，扫描速度10-20mm/s，送粉速率选择800-1200g/h，搭接率35-50%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，设计了一种新型的高韧钛合金，采用激光增材制造技术，利用熔池内的原位冶金反应，得到偏析小、性能优异的钛合金。本发明改进了送粉装置，能够避免粉末氧化。
第二，本发明提出了高韧钛合金增材制造热处理组织调控方法，采用特定的热处理工艺参数，能够获得特殊的双态组织，获得优异的力学性能。
第三，本发明改进了混粉和送粉装置，不但获得了适于增材制造用的球形粉末，还能够有效避免粉末氧化，从而提高了钛合金的力学性能。
附图说明
图1为本发明送粉装置的结构示意图。
图2为本发明高韧钛合金的金相组织照片。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
本发明设计了一种新型的高韧钛合金，其成分设计具体如表1所示。本发明采用激光增材制造技术，利用熔池内的原位冶金反应，得到偏析小、性能优异的钛合金。同时改进了混粉和送粉装置，能够提高粉末质量以及避免粉末氧化。本发明还提出了高韧钛合金增材制造热处理组织调控方法，采用特定的热处理工艺参数，能够获得特殊的双态组织，获得优异的力学性能。
表
新型的高韧钛合金成分（wt%）
高韧钛合金制备过程中必须严格控制氧含量，氧含量稍高即将导致钛合金的断裂韧性严重下降。增材制造所采用的金属粉末，可采用预合金法制备，也可采用多种合金粉末混合的方法获得。铜含量低于1.0%时，可采用预合金法进行制备，制备过程必须严格控制氧含量。铜含量高于1.0%时，采用预合金法难以制备出合格的球形粉末，一方面铜含量高会导致其偏析或形成金属间化合物不能在粉末中均匀分布，另一方面铜含量高的时候制粉时还容易出现开裂等问题，故采用混合粉末的方法进行制备，具体是将具有特定比例的预合金粉与纯铜粉进行混合，本发明中优选Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu的比例预合金粉。如采用混合粉末的方式，整个粉末混合过程必须在充氩气的手套箱中进行，粉末混合完成后投入本发明特制的送粉器的料斗中。送粉器料斗的结构如图1所示，在料斗2的上方设置进粉管1，下方设置出粉管3，在进粉管1上设有进气阀门，在出粉管3上设有排气阀门，料斗2在加料前，需打开进气阀门和排气阀门，通入氩气排出料斗2中的空气，通气一段时间后，关闭进气阀门和排气阀门，之后才可将混合后的粉末送入料斗2。
在激光增材制造成形前，送粉器中需提前通入氩气排出空气，惰性气氛成形腔中也需提前通入氩气排出空气，成形腔中的氧含量必须严格保持在0.1%以下。
增材制造完成后，需立即进行热处理，避免构件开裂。热处理制度为980℃/2h/空冷+730℃/4h退火。需严格按照上述工艺控制热处理温度，如热处理温度过高，晶粒和α相会变得粗大，影响力学性能，而过低不能有效相变而达不到热处理效果。
本发明利用激光增材制造技术，制备的新型含铜高韧钛合金，通过加入铜，细化钛合金晶粒尺寸和α相的尺寸，延缓裂纹扩展速度，提高钛合金的断裂韧性。通过加入铜通过对加工过程的氧含量控制，严格保持钛合金中的低氧含量。
实施例1：
采用预合金法制备Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu粉末，在保护气氛下将该粉末送粉，利用该粉末采用激光束增材制造方式定向沉积钛合金，制备块状钛合金试样，激光加工工艺参数为：激光功率5kW，光斑直径8mm，扫描速度15 mm/s，送粉速率1000 g/h，搭接率50%。沉积完成之后进行980 ℃/2h/空冷+730 ℃/4h退火条件的热处理。
随后在块体中切下金相试样，砂纸水磨后，抛光、腐蚀，获得钛合金金相组织，如图2所示。钛合金的组织为网篮组织，其中α相非常细，有利于断裂韧性的提高。
从块体上切下断裂韧性试样，检测其断裂韧性，结果如表2所示。
从块体上切下拉伸试样，检测其屈服强度，结果如表3所示。
对比例1：
采用TC11粉末为原材料，激光增材制造工艺参数与实施例1相同。从块体上切下断裂韧性试样，检测其断裂韧性，结果如表2所示。本发明的新型高韧钛合金Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu的断裂韧性比TC11高约25%。
对比例2：
采用实施例1相同的激光加工工艺参数，但不对成形气氛的氧含量进行精确控制（约氧含量0.4%气氛中成形）。从块体上切下断裂韧性试样，检测其断裂韧性，结果如表2所示。试样的断裂韧性下降了21.8%。同样的，如果混粉和送粉过程不做处理，试样的断裂韧性下降了6%。氧含量对试样断裂韧性具有严重负面影响。严格控制氧含量对提高断裂韧性具有重要意义。
对比例3：
采用实施例1相同的激光加工工艺参数，热处理制度为1000℃/2h/空冷+730℃/4h退火。从块体上切下断裂韧性试样，检测其断裂韧性，结果如表2所示。热处理温度高于985℃，晶粒和α相会变得粗大，影响力学性能，其断裂韧性下降了约19%。
实施例2-4：
采用预合金法制备的Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu预合金粉末和铜粉为原材料，通过混合粉末的方式制备Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-1Cu、Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-1.5Cu、Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-2Cu，激光增材制造工艺参数与实施例1相同。从块体上切下断裂韧性试样和拉伸试样，检测其断裂韧性和屈服强度，结果表3如所示。结果表明，铜含量增加有利于断裂韧性的提高，但会造成屈服强度的降低。
表2
表3
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种高韧钛合金，按质量百分比计，包括，Al：4.3%-5.0%；2.5-3.3%Mo；2.0-2.5%Zr；0.1-0.2%Si；0.5-2.2%Cu；余量为Ti和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高韧钛合金，其特征在于，Cu的含量为1.0-1.5%。
3.根据权利要求1所述的高韧钛合金，其特征在于，所述高韧钛合金的显微组织为网篮组织，α相的体积分数为75-85%，α相的晶粒大小为1.1-1.4μm。
4.根据权利要求1所述的高韧钛合金，其特征在于，所述高韧钛合金的断裂韧性为125
以上，屈服强度为1000MPa以上。
5.一种权利要求1-4任意一项所述的高韧钛合金的增材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用预合金化法或保护气氛混粉法制粉，以使得制得的粉末配比满足所述高韧钛合金的成分要求；
2）在保护气氛下将所述制得的粉末送粉，采用高能束增材制造方式定向沉积钛合金；
3）将增材制造得到的钛合金进行975-985℃/2h/空冷+725-735℃/4h退火条件的热处理。
6.根据权利要求5所述的高韧钛合金的增材制备方法，其特征在于，步骤1）中采用保护气氛混粉法制粉，具体为采用预合金粉和铜粉为原料，在惰性气氛的手套箱中进行整个混粉过程。
7.根据权利要求6所述的高韧钛合金的增材制备方法，其特征在于，所述惰性气氛的氧含量为100ppm以下。
8.根据权利要求7所述的高韧钛合金的增材制备方法，其特征在于，所述预合金粉组成为Ti-5Al-3Mo-2.5Zr-0.2Si-0.5Cu。
9.根据权利要求5所述的高韧钛合金的增材制备方法，其特征在于，所述高能束增材制造方式定向沉积采用激光束，且激光功率选用4-6kW，光斑直径6-10mm，扫描速度10-20mm/s，送粉速率选择800-1200g/h，搭接率35-50%。
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| CN (1) | CN114540667B (zh) |
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-
2022
- 2022-04-27 CN CN202210447341.8A patent/CN114540667B/zh active Active
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