CN115740500A - 一种3d打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，涉及合金材料技术领域。本发明提供的3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，包括以下步骤：将合金粉末进行3D打印，得到坯体；所述合金粉末包括钛元素和铁元素；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％；将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。本发明采用3D打印制造高强钛合金，能够避免铁元素加入钛合金中带来的合金偏析问题，而且可以降低含易偏析元素高强钛合金的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法。
背景技术
钛合金由于具有优异的强度、比强度，被广泛用于航空航天领域，高强钛合金主要用于飞机紧固件、起落架等。高强钛合金的强化方式主要有固溶强化和第二相析出强化，在钛合金的合金元素中，Fe元素具有最强的固溶强化能力，而且Fe价格低廉，多种高强钛合金均添加了Fe。但是Fe在钛中的固溶度很小，采用传统熔炼方法大量添加Fe极易偏析，因此钛合金中添加的Fe元素含量一般小于1％，这使得Fe对钛合金的固溶强化效果难以发挥到最佳水平。高Fe含量的钛合金不属于钛合金中的常规产品，采用自耗熔炼法专门制备钛合金铸锭时成本高，且高含量的Fe仍会产生偏析。因此，需要开发一种低成本3D打印高Fe含量高强钛合金的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，本发明可以避免铁元素加入钛合金中带来的合金偏析问题，能够降低含易偏析元素高强钛合金的制造成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，包括以下步骤：
将合金粉末进行3D打印，得到坯体；所述合金粉末包括钛元素和铁元素；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％；
将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。
优选地，所述合金粉末包括Ti粉、Al粉、V粉和AlV粉的混合粉末或者Ti-6Al-4V钛合金粉末，以及Fe粉。
优选地，所述合金粉末包括Ti-6Al-4V钛合金粉末和Fe钛合金粉末。
优选地，所述3D打印的方式包括选区激光熔化或激光直接能量沉积。
优选地，所述选区激光熔化的条件包括：铺粉厚度为0.02～0.04mm，激光功率为200～380W，扫描速度为1000～1600mm/s，扫描间距为0.1～0.18mm。
优选地，所述激光直接能量沉积的条件包括：单层厚度为0.6～1.4mm，送粉速率为5～10g/min，激光功率为800～2000W，扫描速度为5～20mm/s，扫描间距为1.0～2.4mm。
优选地，所述热处理的温度为600～800℃；保温时间为1～4h。
优选地，所述固溶处理的温度为950～1050℃；保温时间为2～4h。
优选地，所述时效处理的温度为500～600℃；保温时间为3～8h。
优选地，所述时效处理后进行空冷。
本发明提供了一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，包括以下步骤：将合金粉末进行3D打印，得到坯体；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％；将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。本发明采用3D打印制造高强钛合金，能够避免铁元素加入钛合金中带来的合金偏析问题，而且可以降低含易偏析元素高强钛合金的制造成本。该方法不光可以使用Fe粉，还可以进行推广到其他类似情况的合金制造，例如含Cu、Cr钛合金。
具体实施方式
本发明提供了一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，包括以下步骤：
将合金粉末进行3D打印，得到坯体；所述合金粉末包括钛元素和铁元素；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％；
将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。
本发明将合金粉末进行3D打印，得到坯体。在本发明中，所述合金粉末包括钛元素和铁元素；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％，优选为5～8wt％。在本发明中，所述合金粉末优选包括Ti粉、Al粉、V粉和AlV粉的混合粉末或者Ti-6Al-4V钛合金粉末，以及Fe粉，更优选包括Ti-6Al-4V钛合金粉末和Fe钛合金粉末。在本发明中，所述合金粉末的粒径优选为10～53微米。本发明采用的合金粉末价格便宜，能够降低高强钛合金的制造成本。
本发明优选先将所述合金粉末置于混料机中混合均匀，再进行3D打印。
在本发明中，所述3D打印的方式优选包括选区激光熔化(SLM)或激光直接能量沉积。
在本发明中，所述选区激光熔化的条件优选包括：铺粉厚度为0.02～0.04mm，激光功率为200～380W，扫描速度为1000～1600mm/s，扫描间距为0.1～0.18mm。在本发明中，所述选区激光熔化的条件更优选包括：铺粉厚度为0.03mm，激光功率为280W，扫描速度为1200mm/s，扫描间距为0.14mm。
在本发明中，所述激光直接能量沉积的条件优选包括：单层厚度为0.6～1.4mm，送粉速率为5～10g/min，激光功率为800～2000W，扫描速度为5～20mm/s，扫描间距为1.0～2.4mm。在本发明中，所述激光直接能量沉积的条件更优选包括：单层厚度为1.0mm，送粉速率为8g/min，激光功率为1500W，扫描速度为10mm/s，扫描间距为2.0mm。
得到坯体后，本发明将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。在本发明中，所述热处理的温度优选为600～800℃；保温时间优选为1～4h，更优选为2～3h。本发明优选在所述热处理后进行空冷。
在本发明中，所述3D打印优选在基板上进行；本发明在所述热处理后，优选还包括：将合金材料与基板分离，得到的合金材料依次进行固溶处理和时效处理。在本发明中，所述分离的方法优选为线切割。在本发明中，所述基板的材质优选包括纯钛或Ti-6Al-4V合金。
在本发明中，所述固溶处理的温度优选高于合金相变点温度50～150℃，更优选高于合金相变点温度100℃。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为950～1050℃，更优选为1000℃；保温时间优选为2～4h，更优选为4h。本发明优选在所述固溶处理后进行水淬。
在本发明中，所述时效处理的温度优选为500～600℃，更优选为550℃；保温时间优选为3～8h，更优选为5h。本发明优选在所述时效处理后进行空冷。
在本发明中，所述高强钛合金优选为Ti-5.7Al-3.8V-5Fe(质量百分比)。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
SLM制备Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金：
将Ti-6Al-4V钛合金粉末与Fe粉末按照95:5的重量比称重，装入混料机，充分混合均匀；所用粉末粒径为10～53微米；将混合均匀的合金粉末装入SLM打印机粉仓，逐层进行SLM成形，SLM的工艺参数为：铺粉厚度为0.03mm、激光功率为280W、扫描速度为1200mm/s、扫描间距为0.14mm；将打印的材料连同基板在600℃保温2h后空冷，然后使用线切割分离材料与基板；将分离后的材料在1000℃下保温4h后水淬(合金相变点为900℃)，然后分别在500℃、550℃、600℃保温5h后空冷，得到Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金。
每个时效温度下，进行两次实验，本实施例制备的Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金的室温拉伸性能均值见表1。
表1SLM制备的Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金的室温拉伸性能
| 时效温度，℃ | 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | 延伸率，％ | 断面收缩率，％ |
| 500 | 1430 | 1510 | 6.0 | 16.0 |
| 550 | 1370 | 1410 | 7.0 | 22.0 |
| 600 | 1260 | 1300 | 13.0 | 51.5 |
实施例2
激光直接能量沉积制备Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金：
将Ti-6Al-4V钛合金粉末与Fe粉末按照95:5的重量比称重，装入混料机，充分混合均匀；所用粉末的粒径为53～150微米；将混合均匀的粉末装入激光直接能量沉积设备料仓，逐层进行成形，工艺参数为：单层厚度为1.0mm、送粉速率为8g/min，激光功率为1500W、扫描速度为10mm/s、扫描间距为2.0mm；将打印的材料连同基板在600℃保温2h后空冷，然后使用线切割分离材料与基板；将分离后的材料在1000℃下保温4h后水淬(合金相变点为900℃)，然后分别在500℃、550℃、600℃保温5h后空冷，得到Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金材料。
每个时效温度下，进行两次实验，本实施例制备的Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金的室温拉伸性能均值见表2。
表2激光直接能量沉积的Ti-5.7Al-3.8V-5Fe高强钛合金的室温拉伸性能
| 时效温度，℃ | 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | 延伸率，％ | 断面收缩率，％ |
| 500 | 1360 | 1410 | 6.5 | 18.5 |
| 550 | 1300 | 1340 | 8.5 | 24.5 |
| 600 | 1200 | 1260 | 16.5 | 55.5 |
现有技术在采用不含Fe元素的合金与铁进行熔融时，存在偏析的现象，本发明能够克服铁元素加入钛合金中带来的合金偏析问题，提高钛合金的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种3D打印制造含易偏析元素高强钛合金的方法，包括以下步骤：
将合金粉末进行3D打印，得到坯体；所述合金粉末包括钛元素和铁元素；所述合金粉末的Fe含量为1～10wt％；
将所述坯体依次进行热处理、固溶处理和时效处理，得到高强钛合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉末包括Ti粉、Al粉、V粉和AlV粉的混合粉末或者Ti-6Al-4V钛合金粉末，以及Fe粉。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述合金粉末包括Ti-6Al-4V钛合金粉末和Fe粉末。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3D打印的方式包括选区激光熔化或激光直接能量沉积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述选区激光熔化的条件包括：铺粉厚度为0.02～0.04mm，激光功率为200～380W，扫描速度为1000～1600mm/s，扫描间距为0.1～0.18mm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光直接能量沉积的条件包括：单层厚度为0.6～1.4mm，送粉速率为5～10g/min，激光功率为800～2000W，扫描速度为5～20mm/s，扫描间距为1.0～2.4mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理的温度为600～800℃；保温时间为1～4h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为950～1050℃；保温时间为2～4h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时效处理的温度为500～600℃；保温时间为3～8h。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，所述时效处理后进行空冷。
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