CN115896541B - 一种适用于增材制造的高强韧钛合金 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于增材制造的高强韧钛合金，属于增材制造领域，所述钛合金中元素质量百分比含量为：Al：6.0～8.0％，V：1.3～3.0％，Mo：0.5～2.0％，Nb：3.0～5.0％，Zr：2.0～5.0％，Hf：1.0～5.0％，Ti：余量。利用该钛合金并采用增材制造法制备超高速飞行器关键结构部件骨架，可解决增材制造过程中骨架结构过渡位置的开裂、孔隙等问题。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，特别提供一种适用于增材制造的高强韧钛合金。
背景技术
我国新一代超高速飞行器，其关键结构部件骨架的工作温度达到550℃以上，该部件尺寸达到1500mm，高度一体化设计的结构外形复杂、尺寸大、壁厚薄、型面要求高，对铸造、锻造等常规成形技术提出重大挑战。增材制造是一种以数字模型为基础，以金属粉末或丝材为原料，在高能量热源的作用下，通过逐层添加、逐层堆积材料而近净成形零部件的新兴制造技术。与传统的铸造、锻造等加工工艺相比，增材制造具有独特的技术优势：1)可成形高复杂度结构的零部件，且不需要工装夹具和模具，提高了零部件设计和制造效率，节省了使用模具的成本；2)零部件近净成形，材料利用率高，降低了原料的成本；3)通过调节送粉过程中合金成分，可实现材料梯度变化，按需个性化定制零部件。因此，增材制造技术是当前复杂精密金属零部件一次性整体成形最具前景的应用技术之一。
目前，常规钛合金逐渐达到使用极限，应用较为成熟的ZTA15和ZTC4钛合金一般满足500℃以下的结构部件选材需求，超过500℃时，其高温性能随着使用温度的提高急剧恶化，需要采用高温力学性能更为优异的钛合金。Ti55、Ti60、Ti600等高温合金虽然满足性能要求，但由于合金化程度高，液固相区宽，显著降低了合金流动性，影响成形质量，极大增加孔隙、裂纹等缺陷的产生，同时，该类合金热烈倾向严重，焊接性能较差，难以满足增材制造工艺需求。因此，亟需开发适用于超高速飞行器关键结构部件骨架增材制造的高温钛合金材料。
发明内容
针对航天器骨架增材制造过程中结构过渡位置存在较大应力，容易引发开裂，同时现有高温钛合金的增材制造开裂倾向相比于常规钛合金更大等问题，本发明提供了一种适用于增材制造的高强韧钛合金。
本发明技术方案如下：
一种适用于增材制造的高强韧钛合金，其特征在于，所述钛合金中元素质量百分比含量为：Al：6.0～8.0％，V：1.3～3.0％，Mo：0.5～2.0％，Nb：3.0～5.0％，Zr：2.0～5.0％，Hf：1.0～5.0％，Ti：余量。
作为优选的技术方案：
Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.7～1.0，且(V+Mo+Nb)≤8wt.％，较窄的液固相区≤25℃，以保证增材制造的成形性。
(V+Mo)/Nb的质量百分数比例为0.8～1.3，且(V+Mo+Nb)≤8wt.％，可提高合金室温和高温强度，且不会降低合金延伸率。
本发明还提供了采用所述钛合金增材制造航天器骨架的方法，其特征在于：激光功率2500W，扫描速度11mm/s，搭接间距2.2mm，送粉率8g/min，扫描方式岛扫描。
采用上述方法制备得到的航天器骨架，其特征在于：外轮廓尺寸1490mm×767mm×600mm，呈非回转半敞开结构，属于大尺寸、复杂、薄壁类构件，室温性能指标为：抗拉强度Rm≥1050MPa，屈服强度Rp0.2≥990MPa，延伸率A≥10％；550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm≥580MPa，屈服强度Rp0.2≥420MPa，延伸率A≥20％。骨架结构过渡位置无裂纹、孔隙。
本发明的有益效果为：
本发明通过控制Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比值以及(V+Mo+Nb)总质量，降低钛合金液固两相区宽度，提高增材制造成形性，解决增材制造过程中骨架结构过渡位置的开裂、孔隙等问题；通过控制(V+Mo)/Nb的质量百分数比值，解决增材制造钛合金强度、损伤容限能力兼容性差的问题。本发明所述合金特别适合制备结构复杂、尺寸大、壁厚薄、型面要求高的航天器骨架。
附图说明
图1实施例1合金的室温力学性能。
图2实施例1合金的550℃高温力学性能。
具体实施方式
实施例与对比例所述钛合金成分及其含量请见表1，制备所得零部件的性能测试结果见表2：
表1钛合金成分(wt.％)及液固两相区宽度ΔT(℃)
表2制备所得零部件的性能测试结果
实施例1
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.74，(V+Mo+Nb)＝5.5wt.％，(V+Mo)/Nb＝0.83，获得Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金液固两相区宽度为18.70℃；
(3)通过激光熔化沉积技术指标Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金，其工艺参数为：激光功率2500W，扫描速度11mm/s，搭接间距2.2mm，送粉率8g/min，扫描方式岛扫描；
(4)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金骨架的致密度为99.8％，无裂纹、孔隙；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为1078MPa，屈服强度Rp0.2为1025MPa，延伸率A为12％；
(6)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-7Al-3Zr-1Hf-1Mo-1.5V-3Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为600MPa，屈服强度Rp0.2为497MPa，延伸率A为21％。
实施例2
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.71，(V+Mo+Nb)＝7.2wt.％，(V+Mo)/Nb＝0.80，获得Ti-8Al-2Zr-2Hf-1.1Mo-2.1V-4Nb钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-8Al-2Zr-2Hf-1.1Mo-2.1V-4Nb钛合金液固两相区宽度为20.86℃；
(3)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-2Hf-1.1Mo-2.1V-4Nb钛合金骨架的致密度为99.87％，无裂纹、孔隙；
(4)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-2Hf-1.1Mo-2.1V-4Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为1130MPa，屈服强度Rp0.2为1040MPa，延伸率A为13％；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-2Hf-1.1Mo-2.1V-4Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为610MPa，屈服强度Rp0.2为509MPa，延伸率A为20％。
实施例3
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.79，(V+Mo+Nb)＝6.5wt.％，(V+Mo)/Nb＝1.17，获得Ti-7.5Al-2Zr-1Hf-1.5Mo-2V-3Nb钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-7.5Al-2Zr-1Hf-1.5Mo-2V-3Nb钛合金液固两相区宽度为19.35℃；
(3)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-7.5Al-2Zr-1Hf-1.5Mo-2V-3Nb钛合金骨架的致密度为99.7％，无裂纹、孔隙；
(4)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-7.5Al-2Zr-1Hf-1.5Mo-2V-3Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为1052MPa，屈服强度Rp0.2为996MPa，延伸率A为14％；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-7.5Al-2Zr-1Hf-1.5Mo-2V-3Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为585MPa，屈服强度Rp0.2为427MPa，延伸率A为22％。
对比例1
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.41，(V+Mo+Nb)＝6.8wt.％，(V+Mo)/Nb＝1.27，获得Ti-6Al-5Zr-3Hf-1.8Mo-2V-3Nb钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-6Al-5Zr-3Hf-1.8Mo-2V-3Nb钛合金液固两相区宽度为34.70℃；
(3)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1.8Mo-2V-3Nb钛合金骨架的致密度为98.6％，无裂纹；
(4)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1.8Mo-2V-3Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为1183MPa，屈服强度Rp0.2为1104MPa，延伸率A为3％；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1.8Mo-2V-3Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为625MPa，屈服强度Rp0.2为518MPa，延伸率A为6％。
对比例2
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.46，(V+Mo+Nb)＝5wt.％，(V+Mo)/Nb＝0.67，获得Ti-6Al-5Zr-3Hf-1Mo-1V-3Nb高强韧钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-6Al-5Zr-3Hf-1Mo-1V-3Nb钛合金液固两相区宽度为31.37℃；
(3)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1Mo-1V-3Nb钛合金骨架的致密度为98.7％，无裂纹；
(4)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1Mo-1V-3Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为990MPa，屈服强度Rp0.2为890MPa，延伸率A为15％；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-6Al-5Zr-3Hf-1Mo-1V-3Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为550MPa，屈服强度Rp0.2为420MPa，延伸率A为20％。
对比例3
(1)Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.99，(V+Mo+Nb)＝6.1wt.％，(V+Mo)/Nb＝1.03，获得Ti-8Al-2Zr-1.1Mo-2V-3Nb高强韧钛合金；
(2)采用JMatPro软件模拟计算Ti-8Al-2Zr-1.1Mo-2V-3Nb钛合金液固两相区宽度为6.73℃；
(3)采用阿基米德排水法测试的激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-1.1Mo-2V-3Nb钛合金骨架的致密度为99.7％，无裂纹；
(4)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-1.1Mo-2V-3Nb钛合金骨架的室温力学性能指标为：抗拉强度Rm为1087MPa，屈服强度Rp0.2为1011MPa，延伸率A为9％；
(5)采用万能材料试验机测试激光熔化沉积Ti-8Al-2Zr-1.1Mo-2V-3Nb钛合金骨架的550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm为587MPa，屈服强度Rp0.2为492MPa，延伸率A为16％。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于增材制造的高强韧钛合金，其特征在于，所述钛合金中元素质量百分比含量为：Al：6.0～8.0％，V：1.3～3.0％，Mo：0.5～2.0％，Nb：3.0～5.0％，Zr：2.0～5.0％，Hf：1.0～5.0％，Ti：余量；Al/(Zr+Hf+V+Mo+Nb)的质量百分数比例为0.7～1.0，且(V+Mo+Nb)≤8wt.％；
(V+Mo)/Nb的质量百分数比例为0.8～1.3。
2.按照权利要求1所述适用于增材制造的高强韧钛合金，其特征在于：所述钛合金液固两相区宽度≤25℃。
3.一种采用权利要求1或2任一项所述钛合金增材制造航天器骨架的方法，其特征在于：激光功率2500W，扫描速度11mm/s，搭接间距2.2mm，送粉率8g/min，扫描方式岛扫描。
4.一种采用权利要求3所述方法制备得到的航天器骨架，其特征在于：外轮廓尺寸1490mm×767mm×600mm，呈非回转半敞开结构；室温性能指标为：抗拉强度Rm≥1050MPa，屈服强度Rp0.2≥990MPa，延伸率A≥10％；550℃高温性能指标为：抗拉强度Rm≥580MPa，屈服强度Rp0.2≥420MPa，延伸率A≥20％。
5.按照权利要求4所述航天器骨架，其特征在于：骨架结构过渡位置无裂纹、孔隙。
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