CN115094270B - 一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金及其制备方法 - Google Patents
一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于有色金属设计与增材制造技术领域，公开了一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti‑Al‑V合金及其制备工艺，合金由以下原料按重量百分比为组成：铝（Al）4.0～8.0%；钒（V）1.0～4.0%；镍（Ni）1.0‑3.0%；钴（Co）1.5‑3.0%；钪（Sc）0.2‑0.6%；钛（Ti）余量。本合金通过增材制造工艺，所制备合金为组织均匀细小的ɑ相及少量马氏体组织，通过多元素（Ni、Co、Sc）的合金化使得Ti‑Al‑V合金强度明显提高，具有优异的成型性。
Description
技术领域
本发明属于本发明属于有色金属设计与增材制造技术领域，具体涉及一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金及其制备方法。
背景技术
增材制造钛合金在合金力学性能、耐腐蚀性及耐磨性等方面近年来取得重要进展，逐渐受到关注，并且应用在医疗、航空航天、军工等领域。
Ti-Al-V合金激光选区熔化制件由于激光熔池的快速熔化和冷却，其晶体颗粒更加细小，多为细小的铸造组织，且后处理会改变微结构特征降低或消除缺陷以及残余应力，获得力学性能较佳的组织，具有拉伸强度高、拉伸塑性低、冲击韧性中等、断裂韧性较高、蠕变抗性较高的特点。通过合金元素添加增材制造钛合金已经取得了某些特定的性能，如耐腐蚀性(CN 113828795A)、耐高温(CN 113025843 A)等特点。
Ni、Co、Sc等元素作为Ti-Al-V合金组织与性能改善的有效元素，为增材制造成型性能优异的元素，尤其对细化显微组织、净化合金成分、改善合金冶金质量具有显著效果，研究合适的增材制造工艺及合金成分对于Ti-Al-V合金的发展具有重要意义。
对比于铸造和锻造钛合金，增材制造钛合金种类相对较少，力学性能提高还有一定的空间，更多的增材制造钛合金技术亟需被开发。
发明内容
有鉴于此，为了解决增材制造钛合金的力学性能技术问题，本发明提供了一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金及其制备方法，包括如下内容：
一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0～8.0wt％，钒(V)：1.0～4.0wt％，镍(Ni)：1.0～3.0wt％，钴(Co)：1.5～3.0wt％，钪(Sc)：0.2～0.6wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：1.5wt％，镍(Ni)：1.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.2wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：3.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.6wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：7.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：3.0wt％，钪(Sc)：0.5wt％，其余为Ti和杂质元素。
一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法，包括如下步骤：
S1：原料选取称重
S1-1选取铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉；
S1-2按铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉的重量百分比称重；
S2：原料预处理
S2-1将步骤S1-2获得的混合粉末原料放在室温球磨机内混粉，混合后粉末直径在20-50um之间，呈正态分布；
S2-2将混好的粉末在真空环境下加热至100-150℃干燥保温，干燥保温时间不少于5h；
S3：激光增材加工成型
S3-1设定激光输出功率200W～500W，扫描速率500mm/s-1500mm/s，基板预热温度为50-100℃；
S3-2将步骤S2-2获得的预热混合粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，设定打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
S4：增材制造Ti-Al-V合金低温热处理工艺
S4-1 200℃保温2h；
S4-2 400℃保温2-4h，避免细化组织因为温度过高而长大；
S4-3水冷至室温。
具体的，各工艺参数可以是以下五种组合之一
第1种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为100℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1100mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温2h；
第2种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为150℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1000mm/s，基板预热温度为100℃；
步骤S4-2中，400℃保温3h；
第3种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为130℃；
步骤S3-1中，激光输出功率350W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温4h；
第4种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为140℃；
步骤S3-1中，激光输出功率400W，扫描速率1300mm/s，基板预热温度为70℃；
步骤S4-2中，400℃保温3h；
第5种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为120℃；
步骤S3-1中，激光输出功率450W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温3.5h；
具体的，步骤S2-2中干燥保温时间为6h。
采用本发明提供的增材制造钛合金配方以及加工方法，所制备合金为组织均匀细小的ɑ相及少量马氏体组织，通过多元素(Ni、Co、Sc)的合金化使得Ti-Al-V合金强度明显提高，具有优异的成型性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Ti-5.8Al-4.3V-2.0Ni-2.0Co-0.5Ni合金的显微组织图。
具体实施方式
下面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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明请求保护一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金其制备方法，包括如下内容：
一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0～8.0wt％，钒(V)：1.0～4.0wt％，镍(Ni)：1.0～3.0wt％，钴(Co)：1.5～3.0wt％，钪(Sc)：0.2～0.6wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：1.5wt％，镍(Ni)：1.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.2wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：3.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.6wt％，其余为Ti和杂质元素。
具体的，所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：7.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：3.0wt％，钪(Sc)：0.5wt％，其余为Ti和杂质元素。
一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法，包括如下步骤：
S1：原料选取称重
S1-1选取铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉；
S1-2按铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉的重量百分比称重；
S2：原料预处理
S2-1将步骤S1-2获得的混合粉末原料放在室温球磨机内混粉，混合后粉末直径在20-50um之间，呈正态分布；
S2-2将混好的粉末在真空环境下加热至100-150℃干燥保温，干燥保温时间不少于5h；
S3：激光增材加工成型
S3-1设定激光输出功率200W～500W，扫描速率500mm/s-1500mm/s，基板预热温度为50-100℃；
S3-2将步骤S2-2获得的预热混合粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，设定打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
S4：增材制造Ti-Al-V合金低温热处理工艺
S4-1 200℃保温2h；
S4-2 400℃保温2-4h，避免细化组织因为温度过高而长大；
S4-3水冷至室温。
具体的，各工艺参数可以是以下五种组合之一
第1种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为100℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1100mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温2h；
第2种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为150℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1000mm/s，基板预热温度为100℃；
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步骤S2-2中干燥保温的温度为130℃；
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第4种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为140℃；
步骤S3-1中，激光输出功率400W，扫描速率1300mm/s，基板预热温度为70℃；
步骤S4-2中，400℃保温3h；
第5种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为120℃；
步骤S3-1中，激光输出功率450W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温3.5h；
具体的，步骤S2-2中干燥保温时间为6h。
实施例1：
以下原料按重量百分比配制：Al：4.0wt％；V：1.5wt％；Ni：1.0wt％；Co：1.5wt％；Sc：0.2wt％；余量为Ti和杂质；
制备工艺为：
(1)按各金属元素的重量百分比称取金属粉末，并且在室温球磨混粉，在高真空的环境下加热至100℃进行干燥处理，保温时间为6h，得到干燥混合粉末，粉末直径在20～50μm之间呈正态分布；
(2)激光增材加工成型，打印成型参数为：激光输出功率300W，扫描速率1100mm/s，基板预热温度为80℃；
(3)将预制预热粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
(4)上述增材制造Ti-Al-V合金进行低温热处理，使得合金成分及组织更加均匀，消除应力，具体为200℃保温2h，400℃保温2h，完成后水冷；
(5)所制备合金进行显微硬度测试，测试9个数据，计算平均值，所测显微硬度为368.4HV。
实施例2：
以下原料按重量百分比配制：Al：4.0wt％；V：3.0wt％；Ni：2.0wt％；Co：1.5wt％；Sc：0.4wt％；余量为Ti和杂质；
制备工艺为：
(1)按各金属元素的重量百分比称取金属粉末，并且在室温球磨混粉，在高真空的环境下加热至150℃进行干燥处理，保温时间为6h，得到干燥混合粉末，粉末直径在20～50μm之间呈正态分布；
(2)激光增材加工成型，打印成型参数为：激光输出功率300W，扫描速率1000mm/s，基板预热温度为100℃；
(3)将预制预热粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
(4)上述增材制造Ti-Al-V合金进行低温热处理，使得合金成分及组织更加均匀，消除应力，具体为200℃保温2h，400℃保温3h，完成后水冷；
(5)所制备合金进行显微硬度测试，测试9个数据，计算平均值，所测显微硬度为379.5HV。
实施例3：
以下原料按重量百分比配制：Al：6.0wt％；V：4.0wt％；Ni：2.0wt％；Co：2.0wt％；Sc：0.4wt％；余量为Ti和杂质；
制备工艺为：
(1)按各金属元素的重量百分比称取金属粉末，并且在室温球磨混粉，在高真空的环境下加热至130℃进行干燥处理，保温时间为6h，得到干燥混合粉末，粉末直径在20～50μm之间呈正态分布；
(2)激光增材加工成型，打印成型参数为：激光输出功率350W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
(3)将预制预热粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
(4)上述增材制造Ti-Al-V合金进行低温热处理，使得合金成分及组织更加均匀，消除应力，具体为200℃保温2h，400℃保温4h，完成后水冷；
(5)所制备合金进行显微硬度测试，测试9个数据，计算平均值，所测显微硬度为394.9HV。
实施例4：
以下原料按重量百分比配制：Al：6.0wt％；V：4.0wt％；Ni：3.0wt％；Co：2.0wt％；Sc：0.6wt％；余量为Ti和杂质；
制备工艺为：
(1)按各金属元素的重量百分比称取金属粉末，并且在室温球磨混粉，在高真空的环境下加热至140℃进行干燥处理，保温时间为6h，得到干燥混合粉末，粉末直径在20～50μm之间呈正态分布；
(2)激光增材加工成型，打印成型参数为：激光输出功率400W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为70℃；
(3)将预制预热粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
(4)上述增材制造Ti-Al-V合金进行低温热处理，使得合金成分及组织更加均匀，消除应力，具体为200℃保温2h，400℃保温3h，完成后水冷；
(5)所制备合金进行显微硬度测试，测试9个数据，计算平均值，所测显微硬度为422.9HV。
实施例5：
以下原料按重量百分比配制：Al：7.0wt％；V：4.0wt％；Ni：3.0wt％；Co：3.0wt％；Sc：0.5wt％；余量为Ti和杂质；
制备工艺为：
(1)按各金属元素的重量百分比称取金属粉末，并且在室温球磨混粉，在高真空的环境下加热至120℃进行干燥处理，保温时间为6h，得到干燥混合粉末，粉末直径在20～50μm之间呈正态分布；
(2)激光增材加工成型，打印成型参数为：激光输出功率450W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
(3)将预制预热粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
(4)上述增材制造Ti-Al-V合金进行低温热处理，使得合金成分及组织更加均匀，消除应力，具体为200℃保温2h，400℃保温3.5h，完成后水冷；
(5)所制备合金进行显微硬度测试，测试9个数据，计算平均值，所测显微硬度为411.3HV。
针对上述实施例中的配比及工艺参数总结下表：
通过理论分析与案例分析可以得出，在一定范围内，随着合金元素含量的增加和种类增加，可以有效固溶强化和细晶强化的效果，多种元素配合添加的协同效果优于单一元素的添加效果。
在一定范围内，随着激光输出功率增加，致密度增加，元素种类(Ni、Co)的增加需要激光输出功率增加。基板预热温度控制合理的温度，既能保证良好的熔融效果，还可以实现较高的冷却速度，细化显微组织，提高合金硬度，即针对不同合金成分设计特定的增材制造参数是完成组织细化、致密度高、强度优异的重要保障。附图1为Ti-6Al-4V-3Ni-2Co-0.6Sc合金的显微组织图。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于，
所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：
铝(Al)：4.0～8.0wt％，钒(V)：1.0～4.0wt％，镍(Ni)：1.0～3.0wt％，钴(Co)：1.5～3.0wt％，钪(Sc)：0.2～0.6wt％，其余为Ti和杂质元素，
所述的含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法包括如下步骤：
S1：原料选取称重
S1-1选取钛(Ti)粉，铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉；
S1-2按钛(Ti)粉，铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉的重量百分比称重；
S2：原料预处理
S2-1将步骤S1-2获得的混合粉末原料放在室温球磨机内混粉，混合后粉末直径在20-50um之间，呈正态分布；
S2-2将混好的粉末在真空环境下加热至100-150℃干燥保温，干燥保温时间不少于5h；
S3：激光增材加工成型
S3-1设定激光输出功率200W～500W，扫描速率500mm/s-1500mm/s，基板预热温度为50-100℃；
S3-2将步骤S2-2获得的预热混合粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，设定打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
S4：增材制造Ti-Al-V合金低温热处理工艺
S4-1 200℃保温2h；
S4-2 400℃保温2-4h，避免细化组织因为温度过高而长大；
S4-3水冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于：所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：1.5wt％，镍(Ni)：1.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.2wt％，其余为Ti和杂质元素。
3.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于：所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：4.0wt％，钒(V)：3.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：1.5wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
4.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于：所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：2.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.4wt％，其余为Ti和杂质元素。
5.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于：所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：6.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：2.0wt％，钪(Sc)：0.6wt％，其余为Ti和杂质元素。
6.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金，其特征在于：所述的合金包含如下重量百分比的金属元素：铝(Al)：7.0wt％，钒(V)：4.0wt％，镍(Ni)：3.0wt％，钴(Co)：3.0wt％，钪(Sc)：0.5wt％，其余为Ti和杂质元素。
7.根据权利要求1所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：原料选取称重
S1-1选取钛(Ti)粉，铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉；
S1-2按钛(Ti)粉，铝(Al)粉，钒(V)粉，镍(Ni)粉，钴(Co)粉，钪(Sc)粉的重量百分比称重；
S2：原料预处理
S2-1将步骤S1-2获得的混合粉末原料放在室温球磨机内混粉，混合后粉末直径在20-50um之间，呈正态分布；
S2-2将混好的粉末在真空环境下加热至100-150℃干燥保温，干燥保温时间不少于5h；
S3：激光增材加工成型
S3-1设定激光输出功率200W～500W，扫描速率500mm/s-1500mm/s，基板预热温度为50-100℃；
S3-2将步骤S2-2获得的预热混合粉末装入激光送粉器，启动激光增材制造系统，设定打印尺寸为100mm*100mm*10mm；
S4：增材制造Ti-Al-V合金低温热处理工艺
S4-1 200℃保温2h；
S4-2 400℃保温2-4h，避免细化组织因为温度过高而长大；
S4-3水冷至室温。
8.根据权利要求7所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法，其特征在于，各工艺参数可以是以下五种组合之一
第1种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为100℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1100mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温2h；
第2种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为150℃；
步骤S3-1中，激光输出功率300W，扫描速率1000mm/s，基板预热温度为100℃；
步骤S4-2中，400℃保温3h；
第3种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为130℃；
步骤S3-1中，激光输出功率350W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温4h；
第4种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为140℃；
步骤S3-1中，激光输出功率400W，扫描速率1300mm/s，基板预热温度为70℃；
步骤S4-2中，400℃保温3h；
第5种组合：
步骤S2-2中干燥保温的温度为120℃；
步骤S3-1中，激光输出功率450W，扫描速率1200mm/s，基板预热温度为80℃；
步骤S4-2中，400℃保温3.5h。
9.根据权利要求8所述的一种含Ni、Co、Sc的高强增材制造Ti-Al-V合金制备方法，其特征在于：步骤S2-2中干燥保温时间为6h。
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