CN117187620A - 一种电弧增材制造用钛合金丝材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电弧增材制造用钛合金丝材，其特征在于：按质量百分数计，包括以下组分：Al：7.15％‑7.47％、Mo：1.85％‑1.90％、V：2.25％‑2.35％、Zr：2.50％‑4.2％，余量为Ti及不可避免杂质：Fe≤0.1％、C≤0.015％、H≤0.003％、O≤0.12％、N≤0.012％。与现有技术相比，本发明制备的电弧增材制造用钛合金丝材能够连续成型并且有良好的高温强度和塑性。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材制造用材料领域，尤其涉及一种电弧增材制造用钛合金丝材及其制备方法。
背景技术
钛合金以其高比强度、耐蚀性、耐高温等特点广泛应用于海洋开发、船舶、航空航天等领域。近年来，随着增材制造技术的发展，高性能钛合金已经成为了各个行业的热点问题。在大型复杂钛合金构件制造过程中，由于其导热系数较低、化学活性高，加工难度大，采用传统铸锻焊等工艺流程进行加工时存在制造周期长、成本高、材料利用率低、产品适应性差等问题，极大地限制了钛合金在关键领域的应用和推广。
钛合金电弧增材制造技术以电弧为热源、钛合金丝材为填充金属，不容易产生未熔合等缺陷，成形效率高、材料利用率高、结构可设计性强，适用于大型复杂钛合金构件的整体快速制造，在航空航天、汽车和舰船大型复杂结构件等领域具有广阔的应用前景。然而，目前钛合金构件电弧增材制造通常采用商用焊丝，往往堆积成形性较差，成形精度较低，而且在连续多层的电弧作用下存在元素烧损严重及偏析情况，造成增材构件元素含量偏低，使役性能降低。
因此，需要一种能够满足电弧增材制造连续成形的需求且堆积态具有良好的高温强度和塑性的电弧增材制造用钛合金丝材及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能够连续成形的电弧增材制造用钛合金丝材。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种电弧增材制造用钛合金丝材，其特征在于：按质量百分数计，包括以下组分：Al：7.15％-7.47％、Mo：1.85％-1.90％、V：2.25％-2.35％、Zr：2.50％-4.2％，余量为Ti及不可避免杂质：Fe≤0.1％、C≤0.015％、H≤0.003％、O≤0.12％、N≤0.012％。
以下分析本发明中合金元素的作用及其处于成分控制范围的原因：
Al：铝是钛合金中最常用的α稳定元素，通过置换固溶强化，可以提高钛合金室温和高温强度以及热强性。国内外各种类型的钛合金中几乎都添加了适量的铝。通常情况下认为，铝含量过高，超过7wt.％后，易形成脆性的Ti3Al相。Al含量过低，会降低电弧增材制造钛合金室温及高温强度。电弧增材制造过程中，铝烧损率为5％左右。为避免产生脆性相且堆积态满足性能要求，本发明中的Al含量控制为7.15％-7.47％。
Mo：钼与钛具有相同的晶格结构和相近的原子半径，降低β转变温度，在β相中无限固溶，可以扩大β相区，增大β相稳定性。相较于其他β相稳定元素，钼的强化作用较为明显，可提高室温和高温强度，增加淬透性。但钼元素过高会增加成本，降低塑韧性。因此，本发明的钛合金丝材中，Mo元素含量控制为1.85％-1.90％。
V：钒的作用与Mo相似，添加少量钒可使合金具有良好的热稳定性和高温蠕变性能，所以，本发明中的钒为2.25-2.35％。
Zr：Zr在钛合金中属于中性元素，对β转变温度的影响不大。锆与钛的性质相似，原子尺寸也十分接近，能在α相和β相中无限固溶。锆的室温强化作用弱，但高温强化作用强，与其他元素一起加入时，起到补充强化作用。因此，本发明的钛合金丝材中，Zr元素含量控制为2.5％-4.2％。
优选地，所述电弧增材制造用钛合金丝材制造的钛合金堆积态的高温抗拉强度≥740MPa以上，屈服强度≥551MPa以上，同时延伸率≥9.3％。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：包括以下步骤：
S1、真空熔炼：以Al-60Mo、Al-55V、铝豆、TiO2、Ti-32Fe、海绵钛、海绵锆为原料，按质量百分比Al：7.15-7.47％，Mo：1.85-1.90％，V：2.25-2.35％，Zr：2.5-4.2％进行混料后进行初次真空熔炼，得到初熔铸锭；
S2、制备电极试样：将初熔铸锭进行锻造得到电极试样；
S3、二次熔炼：对电极试样采用电渣重熔的方法进行二次熔炼，得到二次铸锭；
S4、高温锻造：对二次铸锭进行高温锻造，得到棒材；
S5、高温轧制：将棒材经高温热连轧得到直径为9.5mm盘圆，后去氧化皮剥皮至9.0mm盘圆；
S6、将所述盘圆经多次拉拔得到直径为1.4mm丝材，后经去氧化皮得到直径为1.2mm丝材；
S7、真空退火：将所述丝材进行最终真空退火处理。
优选地，所述步骤S1的真空度小于5MPa，弧区中心的温度高于或等于2000℃，整个弧区的温度1800℃。
优选地，所述步骤S3的电渣重熔参数为：电流：18-30KA，电压：28-38V，稳弧电流：5-20A，真空度小于5Pa。
优选地，所述步骤S4的高温锻造的步骤为：铸锭在850℃保温1.5h，之后，在1150℃条件下保温6h，锻造至方棒，终锻温度不低于815℃，终锻后空冷处理。
优选地，所述步骤S5的高温轧制的具体工艺为：加热温度为950℃，之后保温3h，热连轧。
优选地，所述步骤S6的具体工艺为：①第一次多重连续轧制，直径变化Φ9.0mm→Φ5.5mm；
②700-740℃保温后，空冷；
③第二次多重连续拉拔，直径变化Φ5.5→Φ4.2→Φ3.3mm；
④700-740℃保温后，空冷；
⑤第三次多重连续拉拔，直径变化Φ3.3→Φ2.4→Φ1.4mm；
⑥去氧化皮工序至1.2mm。
优选地，所述S7的真空退火处理的步骤为：750℃保温6h后，冷却。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明制备的钛合金丝材电弧增材制造过程稳定，熔覆金属成形性好，无气孔、裂纹等缺陷，适用于钛合金构件的电弧增材制造成形。本发明制备的钛合金丝材电弧增材制造熔覆金属堆积态拉伸性能优良，500℃高温抗拉强度达740MPa以上，屈服强度551MPa以上，同时伸长率保持在9.3％以上，能够连续成型。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明三个实施例的电弧增材制造用钛合金丝材的合金成分如表1所示，实施例1至实施例3采用本发明的方法制备
实施例1
S1、真空熔炼：使用真空感应炉对钛合金丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度5MPa。
S2、制备电极试样：将初熔铸锭进行锻造得到电极试样。
S3、二次熔炼：采用电渣重熔的方法真空熔炼，电流20KA，电压30V，稳弧电流5A，真空度小于5Pa，弧区中心的温度为2000℃，其余弧区温度保持1800℃。
S4、高温锻造：将二次熔炼得到的铸锭放入炉中，随炉升温至850℃保温1.5h，后升温至1150℃保温6h，锻造为210×210mm的方棒，终锻温度900℃，空冷处理。经一次回火后开模，空冷，修磨。
S5、高温轧制：将方棒在950℃保温3h，经多次热连轧制得9.5mm盘圆。
S6、将盘圆进行酸洗去氧化皮至9.0mm盘圆，水洗晾干后进行皮膜处理，100℃烘干后进行轧制：第一次多重连续轧制直径变化依次为Φ9.0→Φ5.5，720℃保温2h在线退火，第二次多重连续拉拔Φ5.5→Φ4.2→Φ3.3，720℃保温2h在线退火，第三次多重连续拉拔Φ3.3→Φ2.4→Φ1.4，720℃保温2h在线退火，去氧化皮至Φ1.2，水洗，烘干，得到丝材。
S7、真空退火：将所得丝材进行真空退火处理，750℃保温6h，随炉冷却，得到电弧增材制造用钛合金丝材。
使用制备好的钛合金丝材进行CMT电弧增材制造成形试验，基板采用厚度为20mm的钛合金基板，采用局部保护方式，气体为氩气，送丝速度4m/min，电流120A，电压20V，扫描速度0.016m/s。沿着焊枪运动方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行500℃，保温15min拉伸性能测试，力学性能如表2所示。
实施例2
S1、真空熔炼：使用真空感应炉对钛合金丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度3MPa。
S2、制备电极试样：将初熔铸锭进行锻造得到电极试样。
S3、二次熔炼：采用电渣重熔的方法真空熔炼，电流20KA，电压35V，稳弧10A，真空度3Pa，弧区中心的温度在2100℃，其余弧区温度保持1800℃。
S4、高温锻造：将二次熔炼得到的铸锭放入炉中，随炉升温至850℃保温1.5h，后升温至1150℃保温6h，锻造为210×210mm的方棒，终锻温度900℃，空冷处理。经一次回火后开模，空冷，修磨。
S5、高温轧制：将方棒在950℃保温3h，经多次热连轧成9.5mm盘圆。
S6、将盘圆进行酸洗去氧化皮至9.0mm盘圆，水洗晾干后进行皮膜处理，100℃烘干后进行轧制，第一次多重连续轧制直径变化为Φ9.0→Φ5.5，720℃下保温2h在线退火，第二次多重连续拉拔直径变化依次为Φ5.5→Φ4.2→Φ3.3，之后，720℃温度下保温2h在线退火，第三次多重连续拉拔直径变化依次为Φ3.3→Φ2.4→Φ1.4，之后720℃下保温2h在线退火，去氧化皮至Φ1.2，水洗，烘干得到丝材。
S7、真空退火：将所得丝材进行真空退火处理，750℃保温6h，随炉冷却，得到电弧增材制造用钛合金丝材。
使用制备的钛合金丝材进行CMT电弧增材制造成形试验，基板采用钛合金基板，厚20mm，采用局部气体保护方式，气体为氩气，送丝速度4m/min，电流130A，电压22V，扫描速度0.017m/s。沿焊枪运动方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行500℃，保温15min拉伸性能测试，力学性能如表2所示。
实施例3
S1、真空熔炼：使用真空感应炉对钛合金丝材合金铸锭进行初次熔炼，真空度1MPa。
S2、制备电极试样：将初熔铸锭进行锻造得到电极试样。
S3、二次熔炼：采用电渣重熔的方法真空熔炼，电流30KA，电压38V，稳弧电流15A，真空度1Pa，弧区中心的温度为2200℃，其余弧区温度保持1800℃。
S4、高温锻造：将二次熔炼得到的铸锭放入炉中，随炉升温至850℃保温1.5h，后升温至1150℃保温6h，锻造为210×210mm的方棒，终锻温度900℃，空冷处理。经一次回火后开模，空冷，修磨。
S5、高温轧制：将方棒在950℃保温3h，经多次热连轧成9.5mm盘圆。
S6、将盘圆进行酸洗去氧化皮至9.0mm盘圆，水洗晾干后进行皮膜处理，100℃烘干后进行轧制，多重连续轧制直径变化依次为Φ9.0→Φ5.5，720℃保温2h在线退火，多重连续拉拔Φ5.5→Φ4.2→Φ3.3，720℃保温2h在线退火，多重连续拉拔Φ3.3→Φ2.4→Φ1.4，720℃保温2h在线退火，去氧化皮至Φ1.2，水洗，烘干，得到丝材。
S7、真空退火：将所得丝材进行真空退火处理，750℃保温6h，随炉冷却，得到电弧增材制造用钛合金丝材。
使用制备好的钛合金丝材进行CMT电弧增材制造成形试验，基板采用厚度为20mm的钛合金基板，采用局部保护方式，气体为氩气，送丝速度4m/min，电流135A，电压22V，扫描速度0.02m/s。沿着焊枪运动方向取拉伸试样，试样规格为M10标准拉伸试样，进行500℃，保温15min拉伸性能测试，钛合金堆积态的力学性能如表2所示。
表1钛合金丝材的合金成分
| 案例 | Al | Mo | V | Zr | C | Fe | O | N | H | Ti |
| 实施例1 | 7.15 | 1.89 | 2.25 | 2.52 | 0.014 | 0.07 | 0.08 | 0.012 | 0.002 | 余量 |
| 实施例2 | 7.30 | 1.85 | 2.30 | 3.05 | 0.01 | 0.08 | 0.09 | 0.011 | 0.003 | 余量 |
| 实施例3 | 7.47 | 1.88 | 2.35 | 4.12 | 0.006 | 0.1 | 0.06 | 0.011 | 0.002 | 余量 |
| 对比例 | 6.97 | 1.9 | 2.1 | 1.62 | 0.009 | 0.09 | 0.1 | 0.01 | 0.004 | 余量 |
表2实施例的钛合金丝材电弧增材熔覆金属高温力学性能测试结果
| 案例 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 伸长率(％) |
| 实施例1 | 740 | 551 | 13.5 |
| 实施例2 | 802 | 592 | 10.5 |
| 实施例3 | 825 | 613 | 9.3 |
| 对比例 | 617 | 495 | 20.0 |
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电弧增材制造用钛合金丝材，其特征在于：按质量百分数计，包括以下组分：Al：7.15％-7.47％、Mo：1.85％-1.90％、V：2.25％-2.35％、Zr：2.50％-4.2％，余量为Ti及不可避免杂质：Fe≤0.1％、C≤0.015％、H≤0.003％、O≤0.12％、N≤0.012％。
2.根据权利要求1所述的电弧增材制造用钛合金丝材，其特征在于：所述电弧增材制造用钛合金丝材制造的钛合金堆积态的500℃高温抗拉强度≥740MPa，屈服强度≥551MPa，延伸率≥9.3％。
3.一种权利要求1-2任一权利要求所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、真空熔炼：以Al-60Mo、Al-55V、铝豆、TiO2、Ti-32Fe、海绵钛、海绵锆为原料，按质量百分比Al：7.15-7.47％，Mo：1.85-1.90％，V：2.25-2.35％，Zr：2.5-4.2％进行混料后进行初次真空熔炼，得到初熔铸锭；
S2、制备电极试样：将初熔铸锭进行锻造得到电极试样；
S3、二次熔炼：对电极试样采用电渣重熔的方法进行二次熔炼，得到二次铸锭；
S4、高温锻造：对二次铸锭进行锻造，得到棒材；
S5、高温轧制：将棒材经热连轧得到丝材直径为9.5mm的盘圆，后去氧化皮剥皮至9.0mm盘圆；
S6、将所述盘圆经多次拉拔得到直径为1.4mm的丝材，后经去氧化皮得到直径1.2mm丝材；
S7、真空退火：将所述去氧化皮后的丝材进行最终真空退火处理。
4.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤S1的真空度小于5MPa，弧区中心的温度≥2000℃，除弧心以外的弧区温度为1800℃。
5.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤S3的电渣重熔参数为：电流：18-30KA，电压：28-38V，稳弧电流：5-20A，真空度小于5Pa。
6.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤S4的高温锻造的步骤为：铸锭在850℃保温1.5h，之后，在1150℃条件下保温6h，闭模锻造至方棒，终锻温度不低于815℃，终锻后开模，经回火后空冷处理。
7.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤S5的高温轧制的具体工艺为：加热温度为950℃，之后保温3h，热连轧。
8.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述步骤S6的具体工艺为：①第一次多重连续轧制；
②700-740℃保温后，空冷；
③第二次多重连续拉拔；
④700-740℃保温后，空冷；
⑤第三次多重连续拉拔；
⑥去氧化皮。
9.根据权利要求3所述的电弧增材制造用钛合金丝材的制备方法，其特征在于：所述S7的真空退火处理的步骤为：在750℃保温6h后，冷却。
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