CN117778805A - 增材制造高疲劳强度钛合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了增材制造高疲劳强度钛合金及其制备方法。增材制造高疲劳强度钛合金是Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si；按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Al：5.2～6.8；Cu：1.0～9.0；V：3.2～4.8；Mo：0.01～4.0；Ni：0.01～2.0；Si：0.01～0.80；余量为Ti。增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法：通过同轴送粉激光增材制造技术制备该钛合金，激光功率在1500～3100W之间，扫描速率700～1500mm/min之间，层间距0.4～1.2mm。本发明所制备的钛合金具有优异的综合力学性能，可广泛应用于航空航天、生物医疗、石油化工、汽车工业和海洋工程等诸多重要领域。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料设计和制备技术领域，具体为一种增材制造高疲劳强度钛合金及其制备方法。
背景技术
航空航天领域中新型战机和高超音速飞行器等先进装备逐渐向高速化、大型化、结构整体化与复杂化等方向跨越式发展，要求在结构设计中采用综合性能更高的轻质高强结构材料。对于高强/超高强度钛合金大型复杂结构零部件的制造，传统熔炼-锻造工艺常面临合金熔炼与成形工艺复杂、大型铸锭凝固组织粗大且合金成分偏析严重、大型模锻设备及模具要求高且变形困难、成本高等诸多问题，因此相关大型复杂结构构件的制备难度极大。相比较，利用增材制造近净成形技术制备的大型复杂结构高强/超高强度钛合金构件，具有合金成分偏析小、材料利用率高、制造周期短和成本低等诸多优势。然而，增材制造钛合金的组织中不可避免地存在微孔等缺陷，会显著降低材料的疲劳性能，制约了其发展与应用。
在疲劳过程中，增材制造钛合金内的大尺寸缺陷等效于疲劳裂纹源，其裂纹尖端塑性区的面积越大，疲劳裂纹扩展速率就越慢。当裂纹尖端塑性区的尺寸大于某一临界尺寸时，增材制造钛合金内的疲劳源可以被完全钝化，从而显著地提升增材制造金属的疲劳强度。
人们迫切希望获得一种技术效果优良的增材制造高疲劳强度钛合金及其制备方法。
发明内容
本发明提供了一种增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金。本发明通过独特的合金成分设计以及增材制造工艺的优化，使Cu、Mo、Ni、Si元素在沉积过程中由马氏体组织配分至β相中，显著地提升了材料内亚稳β相的比例，并利用亚稳β相钝化增材制造金属内的微裂纹，大幅提升材料的疲劳性，为增材制造钛合金的发展带来新的基础与机遇。本发明的技术方案为：
一种增材制造高疲劳强度钛合金，其技术关键是：
所述钛合金是Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si，按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Al：5.2～6.8；Cu：1.0～9.0；V：3.2～4.8；Mo：0.01～4.0；Ni：0.01～2.0；Si：0.01～0.80；余量为Ti。合金中杂质元素的含量应符合《钛及钛合金牌号和化学成分表》国家标准中的相应要求。所述增材制造高疲劳性能钛合金，从单β相区淬火时，能够获得全马氏体组织的临界冷却速率低于30℃/s，马氏体转变结束的温度Mf点在250～500℃之间。
本发明还涉及如前所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其技术关键是：
通过同轴送粉激光增材制造技术制备该钛合金，激光功率在1500～3100W之间，扫描速率700～1500mm/min之间，层间距0.4～1.2mm。
本发明所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，优选的技术要求是：
制备该钛合金时，在沉积过程中，要求每一次热循环的冷却速率高于30℃/s，使材料内形成大量的马氏体组织。
优选的要求是：在250～500℃基台上沉积该钛合金。
制备时基台温度需保持在该合金的Ms点以下，Mf点以上，使马氏体相变不完全进行，组织中保留一定比例的未转变β相。
待沉积完成后，将基台温度升高至700～860℃保温1～9小时，使Cu、Mo、Ni、Si元素由马氏体配分至未转变的β相中，通过Cu、Mo、Ni、Si来提高β相的稳定性。
在沉积完成并将基台温度升高至700～860℃后的保温时间大于t＝2.5D min，其中，D为试样的有效厚度；单位为毫米mm；保温结束后采用10wt.％的NaCl水溶液淬火至室温，使材料内保留大量亚稳β相。
在320～380℃基台上沉积该钛合金时，沉积激光功率为2300～2700W，扫描速率1100～1300mm/min，层间距0.8～1.0mm；
沉积完成后，将基台温度升高至740～780℃，保温5～7小时后采用10wt.％的NaCl水溶液淬火至室温。
显微组织为马氏体和亚稳β相的混合组织，其室温拉伸强度为1140～1580MPa，屈服强度为870～1120MPa，延伸率为6～24％，断面收缩率为10～36％。
制得的钛合金，在应力比为0.1，循环周次为107次条件下的疲劳极限为820～1120MPa。
本发明的有益效果为：
1.区别于现有技术的情况，本发明所提供的钛合金，通过增材制造过程中的基台加热技术，使合金中的Cu、Mo、Ni、Si由马氏体配分至β相中，提升了材料内亚稳β相的比例。
2.采用本发明所述方法可大幅提高增材制造钛合金的疲劳性能，在应力比为0.1，循环周次为107次条件下的疲劳极限为820～1120MPa。
3.本发明所提供的钛合金具有良好的室温拉伸性能，其室温拉伸强度为1140～1580MPa，屈服强度为870～1120MPa，延伸率为6～24％，断面收缩率为10～36％。
附图说明
图1为增材制造高疲劳强度钛合金的显微组织之一；
图2为增材制造高疲劳强度钛合金的显微组织之二；
图3为增材制造高疲劳强度钛合金的显微组织之三；
图4为增材制造高疲劳强度钛合金的显微组织之四；
图5为增材制造高疲劳强度钛合金的疲劳S-N曲线。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。
本发明提供一种新型钛合金，该钛合金的成分包括Al：5.2～6.8；Cu：1.0～9.0；V：3.2～4.8；Mo：0.01～4.0；Ni：0.01～2.0；Si：0.01～0.80；余量为Ti。合金中杂质元素的含量应符合《钛及钛合金牌号和化学成分表》国家标准中的相应要求。
请参阅图1～2。图1～图4是本发明实施5中高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的TEM组织。从TEM组织照片中可以看出，材料的显微组织由马氏体和亚稳β相所共同构成。
图5是本发明实施例6在应力比为0.1条件下的S-N曲线及其与对比例10增材制造Ti6Al4V合金的S-N曲线对比，可以看出本发明所提供的材料具有更为优异的疲劳性能。
下面将通过几组具体实施例和对比例来对本申请进行说明、解释，但不应用来限制本申请的范围。
实施例1～9：是根据本发明提供的化学成分范围进行增材制造的高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金，其Cu、Mo、Ni、Si、Al、V元素的含量逐步提高，相应的制备工艺也在本发明规定的技术参数范围内进行适当调整。所制备的块体纳米晶金属材料的尺寸为120×120×60mm。
对比例1～10：对比例1的化学成分低于本发明提供的化学成分范围下限，对比例2的化学成分高于本发明提供的化学成分范围上限，通过分别与实施例1和实施例9进行比较，说明Cu、Mo、Ni、Si、Al、V含量对增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的影响。
对比例3的激光沉积参数低于本发明提供参数的下限，对比例4的激光沉积参数高于本发明提供参数的上限，通过分别于实施例3、4进行比较，说明激光沉积参数对增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的影响。
对比例5在激光沉积时每一次热循环的冷却速率低于本发明规定的下限，通过与实施例5进行比较，说明沉积时每一次热循环的冷却速率对增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的影响。
对比例6在激光沉积时基台的温度低于本发明规定的基台温度下限，对比例7在激光沉积时基台的温度高于本发明规定的基台温度上限，通过分别于实施例6、7进行比较，说明激光沉积时基台温度对增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的影响。
对比例8在激光沉积后，将基台温度升高至超过本发明规定的温度上限，对比例9在激光沉积后，将基台温度升高至低于本发明规定的温度下限，通过分别于实施例8、9进行比较，说明激光沉积后基台保温温度对增材制造高疲劳强度Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金的影响。
对比例10为目前钛合金增材制造领域应用最为广泛的Ti6Al4V合金，通过与本发明实施例1～9进行对比，说明本发明提供材料的室温拉伸及疲劳性能优势。
表1实施例和对比例材料的化学成分与增材制造工艺
1.显微组织表征：采用TalosF200x透射电子显微镜(TEM)表征材料的显微组织，TEM测试的试样在手工减薄至50nm后，对其在10vol.％HClO4+90vol.％C2H5OH溶液中进行化学双喷减薄，减薄时的电压设定为25V，温度为-25℃，实验结果见图1～图4。
2.拉伸性能测试：采用Instron 8872型拉伸试验机对对比例和实施例材料的室温拉伸力学性能进行测试，拉伸速率为0.5mm/min。测试前，采用车床将材料加工成螺纹直径10mm、标距直径5mm、标距长度25mm的标准拉伸试样，每组热处理试样取三个平行样，实验得到的力学性能包括抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率，结果见表2。
3.疲劳性能测试：采用INSTRON 8801(MTB15816)疲劳实验机测试本发明实施例及对比例的疲劳性能。测试温度为23℃，加载波形为正弦波，加载频率为30Hz，应力比R为0.1。依据GB/T 3075-2021《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》标准中规定的试样尺寸，加工mm，工作段长度为20mm的标准疲劳试样进行测试，并通过升降法测试实施例及对比例材料的疲劳极限，结果见图5，表2。
表2实施例和对比例材料的室温拉伸性能与疲劳极限
从表2的结果可以看出，实施例1～9具有良好的室温拉伸性能与较高的疲劳极限。在本发明规定的Cu、Mo、Ni、Si、Al、V元素含量范围内，随着Cu、Mo、Ni、Si、Al、V元素含量的升高，材料的屈服强度、抗拉强度以及疲劳极限均逐渐升高，而伸长率和断面收缩率逐渐降低。
对比例1的Cu、Mo、Ni、Si、Al、V元素含量较低，这导致其屈服强度、抗拉强度以及疲劳极限远低于本发明实施例。对比例2的Cu、Mo、Ni、Si、Al、V元素含量高于本发明规定的元素含量上限，虽然它具有较高的抗拉强度与屈服强度，但是延伸率仅有2％，疲劳极限也低于本发明实施例。
对比例3激光沉积参数低于本发明规定的下限，这导致沉积试样块不致密，内部缺陷较多，其室温拉伸性能与疲劳极限均低于本发明实施例。对比例4激光沉积参数高于本发明规定的上限，这导致沉积试样的组织粗大，室温拉伸的延伸率、断面收缩率以及疲劳极限均低于本发明实施例。
对比例5在激光沉积时每一次热循环的冷却速率低于本发明规定的下限，这导致沉积后的材料中不含马氏体，其拉伸强度和疲劳极限低于本发明的实施例。
对比例6在激光沉积时基台的温度低于本发明规定的基台温度下限，对比例7在激光沉积时基台的温度高于本发明规定的基台温度上限。这导致Cu、Mo、Ni、Si元素无法由马氏体配分至未转变的β相中，降低了沉积后材料中亚稳β相的比例，使材料的疲劳极限低于本发明实施例。
对比例8在激光沉积后，将基台温度升高至超过本发明规定温度的上限，导致材料转变为全马氏体组织，虽然其强度高但塑韧性以及疲劳极限较低。对比例9在激光沉积后，将基台温度升高至低于本发明规定温度的下限，导致Cu、Mo、Ni、Si元素无法由马氏体配分至未转变的β相中，降低了沉积后材料中亚稳β相的比例，使材料的疲劳极限低于本发明实施例。
对比例10为广泛应用的增材制造Ti6Al4V合金，其室温拉伸性能及疲劳极限均显著低于本发明实施例。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.增材制造高疲劳强度钛合金，其特征在于：所述钛合金是Ti6Al5Cu4V2Mo1Ni0.4Si合金；按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Al：5.2～6.8；Cu：1.0～9.0；V：3.2～4.8；Mo：0.01～4.0；Ni：0.01～2.0；Si：0.01～0.80；余量为Ti。
2.按照权利要求1所述增材制造高疲劳强度钛合金，其特征在于：按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Al：6.0～6.5；Cu：5.1～7.0；V：4.0～4.5；Mo：2.0～3.0；Ni：1.0～1.5；Si：0.40～0.65；余量为Ti。
3.一种如权利要求1所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：通过同轴送粉激光增材制造技术制备该钛合金，激光功率在1500～3100W之间，扫描速率700～1500mm/min之间，层间距0.4～1.2mm。
4.按照权利要求3所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：制备该钛合金时，在沉积过程中，要求每一次热循环的冷却速率高于30℃/s，使材料内形成大量的马氏体组织。
5.按照权利要求4所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：在250～500℃基台上沉积该钛合金。
6.按照权利要求5所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：制备时基台温度需保持在该合金的Ms点以下，Mf点以上，使马氏体相变不完全进行，组织中保留一定比例的未转变β相。
7.按照权利要求6所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：待沉积完成后，将基台温度升高至700～860℃保温1～9小时，使Cu、Mo、Ni、Si元素由马氏体配分至未转变的β相中，通过Cu、Mo、Ni、Si来提高β相的稳定性。
8.按照权利要求7所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：在沉积完成并将基台温度升高至700～860℃后的保温时间大于t＝2.5D min，其中，D为试样的有效厚度；单位为毫米mm；保温结束后采用10wt.％的NaCl水溶液淬火至室温，使材料内保留大量亚稳β相。
9.按照权利要求5～8其中之一所述增材制造高疲劳强度钛合金的制备方法，其特征在于：在320～380℃基台上沉积该钛合金时，沉积激光功率为2300～2700W，扫描速率1100～1300mm/min，层间距0.8～1.0mm；
沉积完成后，将基台温度升高至740～780℃，保温5～7小时后采用10wt.％的NaCl水溶液淬火至室温。
10.按照权利要求9所述增材制造高疲劳强度钛合金，其特征在于：显微组织为马氏体和亚稳β相的混合组织，其室温拉伸强度为1140～1580MPa，屈服强度为870～1120MPa，延伸率为6～24％，断面收缩率为10～36％。
制得的钛合金，在应力比为0.1，循环周次为107次条件下的疲劳极限为820～1120MPa。
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