CN114635057B

CN114635057B - 一种W/Ta钛合金及其增材制造方法

Info

Publication number: CN114635057B
Application number: CN202210542370.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Beijing Yuding Zengcai Manufacture Research Institute Co ltd
Current assignee: Beijing Yuding Additive Manufacturing Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2042-05-19
Also published as: CN114635057A

Abstract

本发明公开了一种W/Ta钛合金及其增材制备方法，该W/Ta钛合金按质量百分比计，包括，10%以下的W，10%以下的Ta；并且，W和Ta的含量合计为1‑10%。该W/Ta钛合金的增材制备方法，包括以下步骤：1）在保护气氛下将各合金元素粉末进行混合，以使得制得的粉末配比满足所述W/Ta钛合金的成分要求；2）在保护气氛下将混合均匀的粉末送粉，操作激光束与送粉管同步在基板上行进，采用增材制造方式定向沉积W/Ta钛合金；3）将增材制造得到的W/Ta钛合金进行热处理。本发明选取TC11、TC4和TB6三种基础钛合金中加入W/Ta，大大改善了传统牌号钛合金的性能。

Description

一种W/Ta钛合金及其增材制造方法

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W/Ta钛合金及其增材制备方法。

背景技术

激光增材制造技术即快速成型技术，利用“离散+堆积+叠层”的原理，在零件CAD三维实体模型切片数据的基础上，通过计算机编程控制高功率激光熔化同步输送的金属粉末，并且在基材表面熔化部分材料，两者混合形成熔池，激光束扫过后熔池发生快速凝固，从而沉积在已凝固基材上，逐层堆积，最终得到三维零件。该技术能实现大型复杂结构致密金属零件的快速、无模具近净成形。

难熔金属是指熔点在 2000℃以上的金属，主要包括钨、钼、钽、铌、铼和钒 6 种。其中，钨是熔点最高的难熔金属，熔点为3422℃，作为一种难熔金属，钨最重要的优点是有良好的高温强度，对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能，钨只有在1000℃以上才出现氧化物挥发和液相氧化物；而钽熔点为2996℃，硬度适中，富有延展性，其热膨胀系数很小，具有极高的抗腐蚀性，钽合金具有高温强度高、抗热震性好和蠕变强度高，膨胀系数小、抗热震性能好，塑韧性优异的特点。正是由于W和Ta的这些特点，传统方式制备含W/Ta的钛合金十分困难。W/Ta在Ti中的扩散溶解是制备最主要的环节，目前主要是通过热压、热等静压和爆炸成形等粉末冶金方法来制备W/Ta-Ti合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种W/Ta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W/Ta钛合金，其特征在于：按质量百分比计，包括，10%以下的W，10%以下的Ta；并且，W和Ta的含量合计为1-10%。

进一步优选的，W和Ta的质量比例为1:1。

进一步优选的，所述W/Ta钛合金按质量百分比计，包括，5.8-7.0%Al，2.8-3.8%Mo，0.8-2.0%Zr，0.2-5%W，0.2-5%Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。

进一步优选的，所述W/Ta钛合金按质量百分比计，包括，90%~95%TC4或TB6的名义成分，以及合计5~10%的W和Ta。

第二，本发明还提供了上述技术方案所述的W/Ta钛合金的增材制备方法，包括以下步骤：

1）在保护气氛下将各合金元素粉末进行混合，以使得制得的粉末配比满足所述W/Ta钛合金的成分要求；

2）在保护气氛下将混合均匀的粉末送粉，操作激光束与送粉管同步在基板上行进，采用增材制造方式定向沉积W/Ta钛合金；

3）将增材制造得到的W/Ta钛合金进行热处理。

进一步优选的，所述将各合金元素粉末进行混合，是按照5.8-7.0%Al，2.8-3.8%Mo，0.8-2.0%Zr，0.2-5%W，0.2-5%Ta，余量为Ti和不可避免的杂质的比例，取各合金元素的纯粉进行混合。

进一步优选的，所述将各合金元素粉末进行混合，是将TC4或TB6所制备的预合金粉末与W和Ta粉，按照90%~95%TC4或TB6的预合金粉末以及合计5~10%的W和Ta粉的比例进行混合。

所述TC4或TB6所制备的预合金粉末的粒径为100 目以下，所述W和Ta粉末的粒径为1250目以下。

进一步优选的，激光成型的主要工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度7-8mm/s，送粉速度70-80g/min。

与现有技术相比，本发明利用激光增材制造技术制备一种含W/Ta的钛合金，选取TC11、TC4和TB6三种基础钛合金中加入W/Ta，大大改善了传统牌号钛合金的性能。本发明提出的这种含W/Ta的钛合金是专门适用于增材制造的高热输入、极高的冷却速率、小熔池的特点。对于本发明提出的这种含W/Ta的钛合金，可通过例如激光等高能热源，解决传统制备技术热输入不足，难以得到致密组织的问题；且增材制造小熔池以及高冷却速率的特点也降低了元素的偏析，使得合金元素分配均匀。整个制备过程在保护气氛环境下进行，确保了试样内杂质含量低，保证了合金的高强度与塑韧性。

附图说明

图1为本发明实施例1的W/Ta钛合金组织照片。

图2为本发明实施例2的W/Ta钛合金组织照片。

图3为本发明实施例3的W/Ta钛合金组织照片。

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。

主要实施步骤：

1.将各种粉末放入三维混合机中，充入氩气，使整个混合过程在无氧环境下进行，得到混合均匀的粉末。

在混粉过程中，W/Ta粉末可均采用气雾化法制备成球形粉，粉末颗粒最大尺寸d_max≤10μm，以保证W/Ta粉末的充分熔解，即制备的球形粉末经1250目筛网筛分获得0-1250目的粉末。其他合金元素粉末可通过球磨法或者气雾化法制备，用 100 目筛网筛分获得0-100 目即可；或者可以选择直接购买对应的金属粉末。

对粉末进行混粉的目的是使各种粉末混合均匀以保证热机械固结的冶金质量，优选将W/Ta粉末及其他各种金属粉末放入三维混合机进行充分混合后，再激光增材过程中直接送粉。此外，也可以选择在输送的时分开送，W/Ta粉末用小送粉器进行送粉。

2.在整个沉积过程开始前，要对成型仓内进行抽气处理，使得成型仓内气氛中的氧含量低于40 ppm。

3.激光束和送粉管同步在基板（基板可选择钛合金板或钢板）上摆动前进，通过激光束的热量熔化粉末形成多层相互融合的焊缝，并最终形成所需的钛合金块。

激光成型的主要工艺参数为激光功率1500-1800W，激光功率过低，会使熔池过小而无法有效充分将粉末熔解，而过高，又导致熔池过大，会使表面凹陷出现凹陷；扫描速度7-8mm/s，扫描速度过快会导致熔解不充分，而过慢又会出现表面凹陷；送粉速度70-80g/min，送粉速度过快会使熔池快速填满并溢出，过慢则会使熔池来不及被填满形成凹陷，都会影响成型质量。

4.针对具体的合金成分设计进行相应的热处理，以提高合金的强韧性。

实施例1：TC11预合金粉末与W/Ta

本实施例提出了一种以TC11钛合金为基础开发的W/Ta钛合金。TC11钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，合金中添加的 Si 元素通过固溶强化和沉淀强化作用可以显著提升合金的高温性能，本实施例利用W/Ta替换TC11中的Si以提升合金的高温性能，故在制备时只能采取各个合金元素粉末以各自纯粉的方式进行混粉，新型含W/Ta的钛合金的成分如表1所示。如果W/Ta的添加量过小（如二者合计小于1%）则不能发挥其效果，但如果添加量过大（如二者合计超过10%）则会有较多未熔颗粒以及产生明显偏聚，从而影响钛合金性能；同时为了减小偏聚，优选W和Ta的添加量为1:1。

1)分别将表1中各合金元素纯粉末按各自含量放入三维混合机中，充入氩气，使整个混合过程在无氧环境下进行，得到500g混合粉末。

表1

元素

Al

Mo

Zr

Ta

W

Fe

C

N

H

O

Ti

含量(ωt.%)

6

3

2

4

≤0.25

≤0.08

≤0.05

≤0.012

≤0.15

余量

2)在整个沉积过程开始前，要对成型仓内进行抽气处理，大气中的氧含量要为低于40 ppm。

3)激光束和送粉管同步在TC11基板上摆动前进，通过激光束的热量熔化粉末形成多层相互融合的焊缝，并最终形成所需的钛合金块，尺寸为：80mm×80mm×50mm。

4)激光成型的主要工艺参数为激光功率1800W、扫描速度8mm/s和送粉速度80g/min，送气速率25L/min。

为提高其韧性，将得到的块状试样进行双重退火热处理，热处理制度为：990℃/1h/AC+750℃/2h/AC。

图1为实施例1的形貌组织照片，由图1可以看出，组织致密，无气孔、裂纹等缺陷。

通过表2可以得出新型W/Ta钛合金在室温时的强度和韧性均明显优于TC11锻件。

表2

试样	R<sub>m</sub>/Mpa	A/%	Z/%
				新型钛合金	1100	8	15
TC11锻件	1035	6	12

实施例2：TC4预合金粉末与W/Ta

本实施例提出了一种以TC4钛合金为基础开发的含W/Ta的钛合金。TC4钛合金的名义成分为Ti-6Al-4V，在制备时可采取预合金粉的方式，即将TC4钛合金制备成合金粉末，再与W/Ta粉末混合后至输送设备，新型W/Ta钛合金的成分含量为:90%TC4，5%W，5%Ta。当然，制备过程也可以采用各合金粉末直接混粉的方式。

1)将TC4粉末和W、Ta粉末按百分比90：5：5放入三维混合机中，充入氩气，使整个混合过程在无氧环境下进行，得到500g混合粉末。

2)重复实施例1中步骤2、3、4。

3)为提高其韧性，将得到的块状试样进行双重退火热处理，热处理制度为：960℃/1h/AC+700℃/2h/AC。

图2为实施例2的形貌组织照片，由图2可以看出，组织致密，无气孔、裂纹等缺陷。

通过表3可以得出新型W/Ta钛合金在室温时的强度和韧性均明显优于TC4锻件。

表3

试样	R<sub>m</sub>/Mpa	A/%	Z/%
				新型钛合金	985	18	30
TC4锻件	895	10	25

实施例3：TB6预合金粉末与W/Ta

本实施例提出了一种以TB6钛合金为基础开发的含W/Ta的钛合金。TB6钛合金的名义成分为Ti-3Al-10V，在制备时可采取预合金粉的方式，即将TB6钛合金制备成合金粉末，再与W/Ta粉末混合至输送设备，新型含W/Ta的钛合金的成分含量为90%TB6，5%W，5%Ta。当然，制备过程也可以采用各合金粉末直接混粉的方式。

1)将TB6粉末和W、Ta粉末按百分比90：5：5放入三维混合机中，充入氩气，使整个混合过程在无氧环境下进行，得到500g混合粉末。

2)重复实施例1中步骤2、3、4。

3)为提高其韧性，将得到的块状试样进行固溶时效热处理，热处理制度为：760℃/2h/WC+510℃/8h/AC。

图3为实施例3的形貌组织照片，由图3可以看出，组织致密，无气孔、裂纹等缺陷。

通过表4可以得出新型W/Ta钛合金在室温时的强度和韧性均明显优于TB6锻件。

表4

试样	R<sub>m</sub>/Mpa	A/%	Z/%
				新型钛合金	1187	10	18
TB6锻件	1105	6	10

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

1.一种W/Ta钛合金的增材制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在保护气氛下将各合金元素粉末进行混合，以使得制得的粉末配比满足W/Ta钛合金的成分要求；

其中，所述将各合金元素粉末进行混合，是按质量百分比计，按照5.8-7.0%Al，2.8-3.8%Mo，0.8-2.0%Zr，4-5%W，4-5%Ta，余量为Ti和不可避免的杂质的比例，取各合金元素的纯粉进行混合；或者，所述将各合金元素粉末进行混合，是按质量百分比计，将TC4或TB6所制备的预合金粉末与W和Ta粉，按照90%~95%TC4或TB6的预合金粉末以及合计5~10%的W和Ta粉的比例进行混合；

3）将增材制造得到的W/Ta钛合金进行热处理。

2.根据权利要求1所述的W/Ta钛合金的增材制备方法，其特征在于：所述W/Ta钛合金中W和Ta的质量比例为1:1。

3.根据权利要求1所述的W/Ta钛合金的增材制备方法，其特征在于：所述TC4或TB6所制备的预合金粉末的粒径为100 目以下，所述W和Ta粉末的粒径为1250目以下。

4.根据权利要求1所述的W/Ta钛合金的增材制备方法，其特征在于：激光成型的主要工艺参数为激光功率1500-1800W，扫描速度7-8mm/s，送粉速度70-80g/min。