CN114733738A - 钛合金丝材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛合金丝材及其制备方法和应用，其包括如下步骤：配制二硼化钛悬浊液，并置于涂敷槽中；将钛合金丝材通过导向轮浸入二硼化钛悬浊液中，然后进行烘干，盘卷，包装。本发明的制备方法中将二硼化钛涂敷在钛合金丝材表面，在之后的熔融沉积过程中二硼化钛熔化同时进入熔池，可以显著细化钛合金沉积态的晶粒，晶粒尺寸可以缩小一个数量级；还可以在熔融过程中生成自身具有高强度和高刚度的陶瓷相TiB，从而提高钛合金的强度、硬度和耐磨性，拉伸强度提高大于5％；本发明的制备方法在通过直接能量沉积为零件后，在热处理过程中可以阻碍钛合金晶粒变粗，有效保持钛合金零件的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种钛合金丝材及其制备方法和应用。
背景技术
增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。其中，直接能量沉积成形(directed energy deposition,DED)技术作为一种重要的金属增材制造方法，具有加工效率高、加工尺寸大、柔性化制造等特点，可运用于大型零件的增材制造、新型产品的快速成形、武器装备的机动维修等场合，实现产品的生产加工以及再制造等目的，具有广阔的应用前景。对于DED技术而言，其对应的制造工艺则为电弧熔丝沉积制造(wirearc additive manufacture,WAAM)、电子束熔丝沉积制造(electron beam freeformfabrication,EBF3)和激光同轴送粉制造(laser engineered net shaping,LENS)。
钛合金因具有密度小、比强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等诸多优点，已经成为先进飞机和航空发动机的关键结构材料。目前，大型复杂整体钛合金关键结构件主要采用传统的“锻造成形+机械切削加工”的制备方法，存在着材料利用率低、加工周期长以及组织性能均匀性控制难度大等技术难题，且锻造和机械切削加工对场地、设备、工装模具的要求非常严格，生产成本高，快速响应能力低。钛合金直接能量沉积增材制造技术是以钛合金丝材为原料，通过熔化丝材逐层堆积来快速制造复杂结构零部件，具有沉积速度快、材料利用率高、构件力学性能优良等特点，对成形件尺寸不敏感，为大型复杂整体钛合金构件研制提供了一种高效、快捷、低成本制造的技术途径。
目前DED技术采用的钛合金丝材，绝大部分都是采用焊接用钛合金丝材标准，而DED与焊接不同，为了获得稳定的熔融成型，会提高过程中的能量输入，并且相比焊接过程，DED技术的能量输入长达数小时，这个能量累计过程会导致钛合金晶粒粗大，直接影响零件的力学性能。另外，由于绝大部分零件结构复杂，成型后无法进行锻造变形破碎晶粒，其性能会弱于传统锻件。无论DED技术热源是采用电弧、等离子弧或者是电子束，都无法解决这个问题。随着钛合金DED增材制造技术的快速发展，需要深入研究从原材料提前解决沉积过程中晶粒粗大和力学性能下降的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于直接能量沉积技术的钛合金丝材及其制备方法和应用。即通过悬浊液将二硼化钛涂敷在钛合金丝材表面，处理过的钛合金丝材在熔融沉积过程中二硼化钛随着丝材熔化进入熔池形成晶核，可以显著细化钛合金沉积态的晶粒，并且生成自身具有高强度和高刚度的陶瓷相TiB，同时在后续热处理过程中也可以阻碍晶粒变粗，从而提高钛合金的强度、硬度和耐磨性。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一方面，本发明提供了一种钛合金丝材的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、配制二硼化钛悬浊液，并置于涂敷槽中；
(2)、将钛合金丝材的一端拉出，通过涂敷槽上端一侧的第一导向轮浸入含二硼化钛悬浊液的涂敷槽中，第二导向轮、第三导向轮、第四导向轮在涂覆槽中呈倒三角形竖向设置，第二导向轮、第三导向轮位于同一水平面且平行于涂敷槽底部，钛合金丝材从第二导向轮、第三导向轮的下端通过，保证钛合金丝材在二硼化钛悬浊液中平行通过，并通过调节第二导向轮、第三导向轮、第四导向轮的间距，保证钛合金丝材在涂敷槽中的停留时间；
(3)、经过涂敷后的钛合金丝材通过涂敷槽上端另一侧的第五导向轮进入烘箱烘干，然后盘卷，包装。
优选地，步骤(1)中，二硼化钛悬浊液中采用的二硼化钛的氧含量≤0.8％，碳含量≤0.5％，纯度≥98.5％，平均粒径为5-10μm。
优选地，步骤(2)中，钛合金丝材的直径为0.1-5mm。
优选地，步骤(3)中，烘干的温度为200-300℃。
另一方面，本发明提供了一种钛合金丝材，其由上述的制备方法得到。
再一方面，本发明提供了一种上述的钛合金丝材的应用，钛合金丝材在增材制造方面中的应用。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的制备方法中将二硼化钛涂敷在钛合金丝材表面，在之后的熔融沉积过程中二硼化钛熔化同时进入熔池，可以显著细化钛合金沉积态的晶粒，晶粒尺寸可以缩小一个数量级；还可以在熔融过程中生成自身具有高强度和高刚度的陶瓷相TiB，从而提高钛合金的强度、硬度和耐磨性，拉伸强度提高大于5％。
第二、本发明的制备方法在通过直接能量沉积为零件后，在热处理过程中可以阻碍钛合金晶粒变粗，有效保持钛合金零件的力学性能。
第三、本发明的制备方法操作简便，成本低廉，对钛合金丝材成本不产生大的影响。
第四、本发明的制备方法可以应用于多种直接能量沉积技术，包括但不限于电弧、等离子弧、激光、电子束或者以上方法的两个或者多个组合的沉积技术。
附图说明
图1为本发明的钛合金丝材的制备过程示意图。
附图说明：1-原料卷轴、2-钛合金丝材、3-第一导向轮、4-涂敷槽、5-第二导向轮、6-第三导向轮、7-第四导向轮、8-二硼化钛悬浊液、9-搅拌器、10-第五导向轮、11-烘箱、12-成品卷轴。
具体实施方式
本发明提供了一种钛合金丝材及其制备方法和应用。
如图1所示，本发明的基于直接能量沉积技术的钛合金丝材的制备方法包括如下步骤：
(1)、根据焊接用丝材标准，进行钛合金原材料的熔炼、开坯、改锻、轧制、退火、拉拔，获得所需直径要求的钛合金丝材，直至盘卷前工序。或者也可以直接采用符合GB/T3623-2007要求的钛合金丝材作为原料，工序不改变钛合金丝材的直径；
(2)、根据拉拔丝材的总质量在涂敷槽4中调配二硼化钛悬浊液8，配制完成后进行充分搅拌，在使用过程中涂敷槽4内设置搅拌器9，防止二硼化钛悬浊液8沉积到涂敷槽4底部；
(3)、将钛合金丝材2的一端从原料卷轴1中拉出，通过涂敷槽4上端一侧的第一导向轮3并浸入含二硼化钛悬浊液8的涂敷槽4中，第二导向轮5、第三导向轮6、第四导向轮7在涂覆槽4中呈倒三角形竖向设置，第二导向轮5、第三导向轮6位于同一水平面且平行于涂敷槽4底部，钛合金丝材2从第二导向轮5、第三导向轮6的下端通过，保证钛合金丝材2在二硼化钛悬浊液8中平行通过，并通过调节第二导向轮5、第三导向轮6、第四导向轮7的间距，可以保证钛合金丝材2在涂敷槽4；
(4)、经过涂敷后的钛合金丝材2通过涂敷槽4上端另一侧的第五导向轮10进入烘箱11脱水，烘箱温度为200-300℃，可以快速烘干钛合金丝材2表面的水分，使得二硼化钛可以均匀地附着在钛合金丝材2表面；
(5)、将烘干后的钛合金丝材2通过成品卷轴12进行盘卷，包装，得到基于直接能量沉积技术的钛合金丝材，即可供DED技术沉积零件使用。
其中，在步骤(1)中，本发明无需特殊定制钛合金丝材的成分和规格，可以灵活地直接采用满足国标要求的丝材或者根据零件技术要求制作钛合金丝材，可以适用于所有牌号钛合金丝材。钛合金的成分可根据对应牌号参照相关焊接用丝材标准或者国际标准。
在步骤(2)中，二硼化钛悬浊液的配制为：二硼化钛和水的比例为1公斤二硼化钛配10-30升纯净水，本发明无需特殊定制二硼化钛原料，可以采用常规高纯二硼化钛，无需单独制作。二硼化钛悬浊液中二硼化钛的纯度≥98.5％，氧含量≤0.8％，碳含量≤0.5％，水含量≤0.2％，通过合成破碎制备后为粉末形态，平均粒径(D50)为5-10μm。
相比常规的药芯制作，本发明采用配制的二硼化钛悬浊液，可以轻松将二硼化钛涂敷在钛合金丝材表面，二硼化钛悬浊液浓度与涂敷比例成正比关系，即二硼化钛悬浊液浓度越高，涂敷到钛合金丝材上的比例就越高；钛合金丝材盘卷速度与涂敷比例成反比关系，即盘卷速度越高，钛合金丝材在涂敷槽中停留时间越短，涂敷的比例就越低。另外，本发明的制备成本低，操作简单。
本发明涂敷在钛合金丝材表面的二硼化钛在DED沉积过程中，随着钛合金丝材的熔化进入熔池，并最终凝固进入零件内部组织，在多层熔覆过程中阻碍晶粒长粗变大。
本发明的钛合金丝材沉积的零件由于硼化物的存在，在后续热处理过程中可以有效阻碍晶粒生长，保证零件力学性能不下降。
下面结合实施例对本发明的技术内容做进一步的说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：
本实施例的基于直接能量沉积技术的钛合金丝材的制备方法包括如下步骤：
(1)、采用符合GB/T 3623-2007标准，直径为2mm的TC4钛合金丝材一卷(50公斤)。采用纯度为99％的二硼化钛(1公斤)。
(2)、根据拉拔丝材的总质量在涂敷槽中调配二硼化钛悬浊液，二硼化钛和水的比例为1公斤二硼化钛配30升纯净水，配制完成后进行充分搅拌，在使用过程中涂敷槽内设置搅拌器一直工作，转速为20rpm，防止二硼化钛悬浊液沉积到涂敷槽底部。
(3)、将钛合金丝材的一端从原料卷轴中拉出，通过涂敷槽上端一侧的第一导向轮浸入含二硼化钛悬浊液的涂敷槽中，第二导向轮、第三导向轮、第四导向轮在涂覆槽中呈倒三角形竖向设置，第二导向轮、第三导向轮位于同一水平面且平行于涂敷槽底部，钛合金丝材从第二导向轮、第三导向轮的下端通过，保证钛合金丝材在二硼化钛悬浊液中平行通过，并通过调节第二导向轮、第三导向轮、第四导向轮的间距为500mm，保证固定钛合金丝材在涂敷槽中的停留时间。
(4)、经过涂敷后的钛合金丝材通过涂敷槽上端另一侧的第五导向轮进入烘箱脱水，烘箱温度为200℃，快速烘干钛合金丝材表面的水分，使得二硼化钛可以均匀地附着在钛合金丝材表面。
(5)、将烘干后的钛合金丝材通过成品卷轴进行盘卷，包装。
将制备的钛合金丝材装入电子束送丝打印机进行打印。主要打印工艺参数：真空度为5×10-2Pa、加速电压Ua＝60kV、电子束流Ib＝50mA、送丝速度Vs＝900mm/min，熔丝沉积速度V＝150mm/min。得到长度为100mm、宽度为100mm、高度为100mm的钛合金实验件，然后将该实验件经(α+β)/β相变点以下固溶处理5h，空冷，然后经650℃时效8h，空冷，采用线切割下料、精加工制备标准试样，金相观测组织以等轴晶为主，晶粒尺寸为0.5-1mm，并测试实验件的拉伸性能。
对比例1：
直接采用满足GB/T 3623-2007标准，直径为2mm的TC4钛合金丝材一卷(50公斤)，未经任何处理装入电子束送丝打印机进行打印。主要打印工艺参数：真空度为5×10-2Pa、加速电压Ua＝60kV、电子束流Ib＝50mA、送丝速度Vs＝900mm/min，熔丝沉积速度V＝150mm/min。得到长度为100mm、宽度为100mm、高度为100mm的钛合金实验件，然后将实验件经(α+β)/β相变点以下固溶处理5h，空冷，然后经650℃时效8h，空冷，采用线切割下料、精加工制备标准试样，金相观测组织以等轴晶和柱状晶，柱状晶尺寸超过2mm，测试实验件的拉伸性能。
本发明的实施例1和对比例1试验件的检测结果见表1。
表1电子束熔丝制造钛合金试验件力学性能对比表
由上述实施例1和对比例1的比较结果表明，采用本发明的实施1经过电子束熔丝制造的TC4钛合金试验件性能优于常规钛合金丝材采用相同工艺制备的试验件。
实施例与对比例相比，晶粒尺寸从2mm提升到0.5-1mm，平均拉伸强度提升7.8％，因此本发明制备的钛合金丝材具有成本低廉、效率高、效果明显的优点，可以满足所有DED技术制备钛合金零件的需求，具备广阔的应用前景，可随着DED增材制造技术的快速发展，为社会发展创造良好的经济效益。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种钛合金丝材的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、配制二硼化钛悬浊液(8)，并置于涂敷槽(4)中；
(2)、将钛合金丝材(2)的一端拉出，通过涂敷槽(4)上端一侧的第一导向轮(3)浸入含二硼化钛悬浊液(8)的涂敷槽(4)中，第二导向轮(5)、第三导向轮(6)、第四导向轮(7)在涂覆槽(4)中呈倒三角形竖向设置，第二导向轮(5)、第三导向轮(6)位于同一水平面且平行于涂敷槽(4)底部，钛合金丝材(2)从第二导向轮(5)、第三导向轮(6)的下端通过，保证钛合金丝材(2)在二硼化钛悬浊液(8)中平行通过，并通过调节第二导向轮(5)、第三导向轮(6)、第四导向轮(7)的间距，保证钛合金丝材(2)在涂敷槽(4)中的停留时间；
(3)、经过涂敷后的钛合金丝材(2)通过涂敷槽(4)上端另一侧的第五导向轮(10)进入烘箱(11)烘干，然后盘卷，包装。
2.根据权利要求1所述的钛合金丝材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述二硼化钛悬浊液中采用的二硼化钛的氧含量≤0.8％，碳含量≤0.5％，纯度≥98.5％，平均粒径为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的钛合金丝材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述钛合金丝材的直径为0.1-5mm。
4.根据权利要求1所述的钛合金丝材的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述烘干的温度为200-300℃。
5.一种钛合金丝材，其特征在于：其由权利要求1-4任一项所述的制备方法得到。
6.一种如权利要求5所述的钛合金丝材的应用，所述钛合金丝材在增材制造方面中的应用。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| TW200706692A (en) * | 2005-07-01 | 2007-02-16 | Isg Technologies Inc | Process for applying a metallic coating, an intermediate coated product, and a finish coated product |
| CN111112609A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-08 | 西安交通大学 | 微量微米级re2o3颗粒多级细化微观组织的钛合金填丝增材制造方法 |
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2022
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