CN118814019A - 一种高强度钛合金及其增材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料及其增材制造技术领域，公开了一种高强度钛合金及其增材的制备方法，按重量百分比计，包括以下组分：钛79％‑83％、铝5％‑7％、钒3％‑5％、钛酸锶2％‑4％、氮化硼1％‑3％、碳化硅1％‑3％、镍钛合金0.5％‑2％、其他杂质元素≤0.1％，还公开了一种高强度钛合金增材的制备方法，包括以下步骤：S1、将称量后的各组分进行机械合金化处理，直至粉末粒径达到纳米级别；S2、选取目数为200‑400目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分10‑20mi n，收集粒径为10‑40μm的合格粉末。通过超声波振动消除微观缺陷和残余应力，然后进行热等静压处理，消除内部微孔和进一步减少残余应力，确保高强度钛合金零件的结构完整性和可靠性，适合高应力、高负荷环境下的应用。

Description

一种高强度钛合金及其增材的制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料及其增材制造技术领域，具体为一种高强度钛合金及其增材的制备方法。

背景技术

钛合金凭借其优异的机械性能、低密度和优异的耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、军事装备和医疗器械等高科技领域。然而，传统钛合金的制备和加工工艺复杂，易产生缺陷，导致材料性能不稳定，使用寿命有限。随着科技的进步和应用需求的增加，对钛合金材料的性能要求愈加苛刻，特别是在高应力、高负荷和高温环境下，需要材料具备更高的强度、稳定性和耐久性。

近年来，随着增材制造技术的迅速发展，为钛合金的制备提供了新的方法。等离子体辅助选择性激光熔融(PA-SLM)技术作为一种先进的增材制造工艺，通过高能量密度激光束逐层熔化钛合金粉末，可以制造出复杂几何形状且高致密度的零件。然而，单一的增材制造工艺在实际应用中仍存在应力集中、微孔缺陷等问题，难以完全满足极端环境下的应用需求。

为了克服这些挑战，本发明提出了一种高强度钛合金及其增材的制备方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度钛合金及其增材的制备方法，解决了高强度钛合金在高应力、高负荷和高温环境下综合性能不足的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高强度钛合金，按重量百分比计，包括以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％。

优选的，所述其他杂质元素包括氧、氮、碳和氢。

优选的，所述钛酸锶为纳米级粉末。

一种高强度钛合金增材的制备方法，包括以下步骤：

S1、将称量后的各组分进行机械合金化处理，直至粉末粒径达到纳米级别；

S2、选取目数为200-400目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分10-20min，收集粒径为10-40μm的合格粉末；

S3、在等离子体辅助选择性激光熔融设备中进行增材制造；

S4、对增材制造后的零件进行超声波辅助处理；

S5、对经超声波处理的零件进行热等静压处理；

S6、对经热等静压处理的零件进行热处理；

S7、对热处理后的零件进行机械加工

优选的，所述S1步骤具体包括以下步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速280-320rpm，进行机械合金化处理，处理时间为20-28h；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

优选的，所述S3步骤具体包括以下步骤：

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在20-40μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率230-270W，扫描速度为1100-1300mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率40-60W，频率15-25kHz；

层层叠加，重叠率为40％-60％，直至完成整个零件的制造。

优选的，所述S4步骤具体包括以下步骤：

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；

设置超声波频率为18-22kHz，超声波功率为450-550W，处理时间为25-35min；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

优选的，所述S5步骤具体包括以下步骤：

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；

设置处理条件：温度880-920℃、压力140-160MPa、时间1.5-2.5h；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

优选的，所述S6步骤具体包括以下步骤：

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；

设置退火条件：温度680-720℃、时间0.8-1.2h；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；

设置时效处理条件：温度480-520℃、时间3.5-4.5h。

优选的，所述S7步骤具体包括以下步骤：

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

本发明提供了一种高强度钛合金及其增材的制备方法。具备以下有益效果：

1、本发明通过引入钛酸锶、氮化硼、碳化硅和镍钛合金，在钛合金基体中形成多元复合结构，提高了材料的高温稳定性、耐磨性和耐腐蚀性能，显著增强了合金在极端环境下的应用性能。

2、本发明采用机械合金化技术制备纳米级粉末，并通过精确筛分确保粉末粒度均匀，有助于提高增材制造过程中粉末的流动性和成形质量，保证了零件的致密性和均匀性。

3、本发明利用等离子体辅助选择性激光熔融技术，结合等离子体预热和活化功能，减少了热应力和裂纹的形成，显著提高了零件的致密性和表面质量，特别适用于复杂结构件的制造。

4、本发明通过超声波振动消除微观缺陷和残余应力，然后进行热等静压处理，消除内部微孔和进一步减少残余应力，该组合处理方法显著提高了零件的致密性和机械性能，大幅提升了零件的疲劳性能和抗冲击能力，确保高强度钛合金零件的结构完整性和可靠性，适合高应力、高负荷环境下的应用。

5、本发明通过退火和时效处理，优化了零件的微观组织结构，提高了材料的强度和硬度，使得高强度钛合金能够满足极端工作条件下的性能要求。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明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。

请参阅附图1，本发明实施例提供一种高强度钛合金，按重量百分比计，包括以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％。

其他杂质元素包括氧、氮、碳和氢。

钛酸锶为纳米级粉末。

一种高强度钛合金增材的制备方法，包括以下步骤：

S1、将称量后的各组分进行机械合金化处理，直至粉末粒径达到纳米级别；

S2、选取目数为200-400目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分10-20min，收集粒径为10-40μm的合格粉末；

S3、在等离子体辅助选择性激光熔融设备中进行增材制造；

S4、对增材制造后的零件进行超声波辅助处理；

S5、对经超声波处理的零件进行热等静压处理；

S6、对经热等静压处理的零件进行热处理；

S7、对热处理后的零件进行机械加工。

S1步骤具体包括以下步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速280-320rpm，进行机械合金化处理，处理时间为20-28h；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

S3步骤具体包括以下步骤：

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在20-40μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率230-270W，扫描速度为1100-1300mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率40-60W，频率15-25kHz；

层层叠加，重叠率为40％-60％，直至完成整个零件的制造。

S4步骤具体包括以下步骤：

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；

设置超声波频率为18-22kHz，超声波功率为450-550W，处理时间为25-35min；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

S5步骤具体包括以下步骤：

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；

设置处理条件：温度880-920℃、压力140-160MPa、时间1.5-2.5h；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

S6步骤具体包括以下步骤：

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；

设置退火条件：温度680-720℃、时间0.8-1.2h；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；

设置时效处理条件：温度480-520℃、时间3.5-4.5h。

S7步骤具体包括以下步骤：

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

实施例1

步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛81％、铝6％、钒4％、钛酸锶3％、氮化硼2％、碳化硅2％、镍钛合金1％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速300rpm，进行机械合金化处理，处理时间为24小时；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm；

S2、筛分：

选取目数为300目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分15分钟，收集粒径为10-40μm的合格粉末；

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在30μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率250W，扫描速度1200mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率50W，频率20kHz；层层叠加，重叠率为50％，直至完成整个零件的制造。

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；设置超声波频率为20kHz，超声波功率500W，处理时间30分钟；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准。

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；设置处理条件：温度900℃、压力150MPa、时间2小时；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；设置退火条件：温度700℃、时间1小时；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；设置时效处理条件：温度500℃、时间4小时。

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构。

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

总结：

实施例1通过标准化的机械合金化和激光熔融参数，结合超声波和热等静压处理，制备出高致密性、高强度的钛合金零件。

实施例2

步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛80％、铝5.5％、钒4.5％、钛酸锶3％、氮化硼2％、碳化硅2％、镍钛合金2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速320rpm，进行机械合金化处理，处理时间为28小时；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

S2、筛分：

选取目数为400目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分20分钟，收集粒径为15-35μm的合格粉末。

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在25μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率270W，扫描速度1300mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率60W，频率25kHz；层层叠加，重叠率为60％，直至完成整个零件的制造。

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；设置超声波频率为22kHz，超声波功率550W，处理时间35分钟；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力；

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；设置处理条件：温度920℃、压力160MPa、时间2.5小时；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力；

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；设置退火条件：温度720℃、时间1.2小时；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；设置时效处理条件：温度520℃、时间4.5小时。

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

总结：

实施例2通过增加镍钛合金的比例和调整机械合金化及激光熔融参数，进一步提高了零件的耐磨性和抗疲劳性能。

实施例3

步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛79％、铝7％、钒3％、钛酸锶4％、氮化硼3％、碳化硅3％、镍钛合金0.5％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速280rpm，进行机械合金化处理，处理时间为20小时；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

S2、筛分：

选取目数为250目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分10分钟，收集粒径为20-30μm的合格粉末。

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在20μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率230W，扫描速度1100mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率40W，频率15kHz；层层叠加，重叠率为40％，直至完成整个零件的制造。

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；设置超声波频率为18kHz，超声波功率450W，处理时间25分钟；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力；

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；设置处理条件：温度880℃、压力140MPa、时间1.5小时；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；设置退火条件：温度680℃、时间0.8小时；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；设置时效处理条件：温度480℃、时间3.5小时。

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

总结：

实施例3通过降低机械合金化的转速和缩短处理时间，适用于对时间敏感的生产环境，同时确保了高强度钛合金的性能。

实施例4

步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛83％、铝6％、钒5％、钛酸锶2％、氮化硼1％、碳化硅1％、镍钛合金2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速290rpm，进行机械合金化处理，处理时间为25小时；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

S2、筛分：

选取目数为350目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分15分钟，收集粒径为10-35μm的合格粉末。

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在35μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率240W，扫描速度1150mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率45W，频率18kHz；层层叠加，重叠率为45％，直至完成整个零件的制造。

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；设置超声波频率为19kHz，超声波功率460W，处理时间30分钟；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；设置处理条件：温度900℃、压力150MPa、时间2小时；

S5.3处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；设置退火条件：温度700℃、时间1小时；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；设置时效处理条件：温度500℃、时间4小时。

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

总结：

实施例4在提高钛合金含量的同时，保证了材料的强度和稳定性，适用于需要高纯度钛合金的应用场景。

实施例5

步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛82％、铝5.5％、钒3.5％、钛酸锶3％、氮化硼2％、碳化硅2％、镍钛合金2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速310rpm，进行机械合金化处理，处理时间为22小时；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

S2、筛分：

选取目数为300目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分12分钟，收集粒径为15-40μm的合格粉末。

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在30μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率260W，扫描速度1250mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率55W，频率22kHz；层层叠加，重叠率为55％，直至完成整个零件的制造。

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；设置超声波频率为21kHz，超声波功率540W，处理时间33分钟；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；设置处理条件：温度910℃、压力155MPa、时间2.3小时；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；设置退火条件：温度710℃、时间1小时；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；设置时效处理条件：温度510℃、时间4小时。

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。

总结：

实施例5通过精确控制各步骤的参数范围，确保了高强度钛合金在高应力、高负荷环境下的应用性能，具有广泛的适用性。

汇总总结：

这五个实施例展示了不同的工艺参数和材料比例组合，通过调整机械合金化、筛分、增材制造、超声波处理和热等静压处理的具体参数，实现了对高强度钛合金性能的优化。在每个实施例中，均通过合理的工艺步骤和参数控制，制备出具有高致密性、高强度和优异综合性能的钛合金零件，满足不同应用场景的需求。这些实施例表明，通过创新性的材料组合和优化的工艺流程，可以显著提升高强度钛合金的综合性能，适用于航空航天、军事装备、医疗器械等对高性能材料有苛刻要求的领域。

近年来，随着航空航天、军事装备和医疗器械等高科技领域的发展，对高强度、高耐腐蚀性材料的需求日益增加。钛合金因其优异的机械性能、低密度和耐腐蚀性，成为这些领域中关键结构材料之一。然而，传统钛合金的加工工艺复杂，制备过程中的组织均匀性和性能一致性难以保证，限制了其广泛应用。

增材制造技术的快速发展，为钛合金的制备提供了新的途径。等离子体辅助选择性激光熔融(PA-SLM)技术能够在高能量密度下快速熔化钛合金粉末，实现高致密度和高强度零件的制造。然而，单纯依靠增材制造技术仍存在应力集中、微孔缺陷等问题，需要进一步优化材料配方和工艺参数以提升其综合性能。

本实验基于前期研究，通过引入多种强化相(钛酸锶、氮化硼、碳化硅和镍钛合金)，并结合机械合金化、超声波处理和热等静压处理等工艺，制备高强度钛合金，旨在评估其机械性能和耐腐蚀性能。通过对不同实施例的详细分析，验证本发明的高强度钛合金在高应力、高负荷环境下的应用潜力，为其在航空航天、军事装备和医疗器械等领域的实际应用提供实验依据和技术支持。具体实验如下所示：

测试实验部分：

实验目的：

本实验旨在评估本发明的高强度钛合金及其增材制造方法的综合性能。通过对不同实施例制备的钛合金样品进行机械性能和耐腐蚀性能测试，验证其在高应力和高负荷环境下的应用性能。

实验步骤

样品制备：

根据实施例1至实施例5的工艺参数和步骤，分别制备5组高强度钛合金样品。

机械性能测试：

进行拉伸试验，测定每组样品的抗拉强度、屈服强度和伸长率。

进行硬度测试，测定每组样品的维氏硬度。

最终测试结果如表1所示。

耐腐蚀性能测试：

进行电化学腐蚀测试，测定样品在3.5％NaC l溶液中的开路电位、极化电阻和腐蚀速率。

最终测试结果如表2所示。

表1：机械性能测试结果

表2：耐腐蚀性能测试结果

实验总结：

通过以上实验数据，可以得出以下结论：

1、机械性能：

所有实施例的钛合金样品均表现出优异的机械性能，抗拉强度和屈服强度均达到900MPa以上，伸长率在14％以上，维氏硬度均超过300HV。

实施例2和实施例5在抗拉强度和屈服强度方面表现最佳，分别达到1020MPa和1000MPa，同时硬度也较高。

2、耐腐蚀性能：

实施例2和实施例5在电化学腐蚀测试中表现出优异的耐腐蚀性能，开路电位较高，极化电阻较大，腐蚀速率较低，说明在高应力和高负荷环境下具备良好的耐久性。

为进一步验证本发明高强度钛合金及其增材制造方法的优越性，本实验设计了三个对比实验，通过与传统钛合金材料和不同制备工艺的对比，全面评估本发明的综合性能。这些对比实验将侧重于机械性能、耐腐蚀性能和微观结构的分析，以验证本发明在高应力和高负荷环境下的应用潜力，为其在航空航天、军事装备和医疗器械等领域的推广应用提供实验依据。

对比实验一：传统钛合金与本发明钛合金的性能对比

实验目的：

评估传统钛合金(T i-6Al-4V)与本发明钛合金在机械性能和耐腐蚀性能方面的差异，验证本发明钛合金的性能优势。

实验步骤

样品制备：

制备传统钛合金T i-6A l-4V样品。

制备本发明钛合金样品(实施例1至实施例5)。

机械性能测试：

进行拉伸试验，测定抗拉强度、屈服强度和伸长率。

进行硬度测试，测定维氏硬度。

最终实验结果如表3所示。

耐腐蚀性能测试：

进行电化学腐蚀测试，测定开路电位、极化电阻和腐蚀速率。最终实验结果如表4所示。

表3：传统钛合金与本发明钛合金的机械性能对比

表4：传统钛合金与本发明钛合金的耐腐蚀性能对比

实验总结：

本对比实验表明，本发明钛合金在机械性能和耐腐蚀性能方面均优于传统钛合金T i-6A l-4V，尤其是实施例2和实施例5表现出更高的抗拉强度和耐腐蚀性能，验证了本发明的优越性。

对比实验二：不同机械合金化处理参数对钛合金性能的影响

实验目的：

评估不同机械合金化处理参数对本发明钛合金性能的影响，优化机械合金化处理参数。

实验步骤

样品制备：

分别制备机械合金化处理时间为20h、24h和28h的钛合金样品。

机械性能测试：

进行拉伸试验，测定抗拉强度、屈服强度和伸长率。

进行硬度测试，测定维氏硬度。

最终实验结果如表5所示。

耐腐蚀性能测试：

进行电化学腐蚀测试，测定开路电位、极化电阻和腐蚀速率。

最终实验结果如表6所示。

表5：不同机械合金化处理时间对钛合金机械性能的影响

表6：不同机械合金化处理时间对钛合金耐腐蚀性能的影响

实验总结：

实验结果显示，机械合金化处理时间为24小时和28小时的钛合金样品性能优于20小时的样品，尤其在耐腐蚀性能方面，28小时处理的样品表现最佳。然而，考虑到效率和成本，24小时的处理时间综合性能较为理想。

对比实验三：不同热处理工艺对钛合金性能的影响

实验目的：

评估不同热处理工艺对本发明钛合金性能的影响，优化热处理工艺参数。

实验步骤

样品制备：

分别制备不同热处理条件(温度680℃、700℃、720℃；时间0.8h、1h、1.2h)的钛合金样品。

机械性能测试：

进行拉伸试验，测定抗拉强度、屈服强度和伸长率。

进行硬度测试，测定维氏硬度。

最终实验结果如表7所示。

耐腐蚀性能测试：

进行电化学腐蚀测试，测定开路电位、极化电阻和腐蚀速率。

最终实验结果如表8所示。

表7：不同热处理温度对钛合金机械性能的影响

表8：不同热处理时间对钛合金耐腐蚀性能的影响

实验总结：

实验结果表明，热处理温度为700℃和时间为1小时的样品在机械性能和耐腐蚀性能方面表现最佳。温度过高或时间过长可能导致材料性能的下降，因此，综合考虑，700℃、1小时的热处理工艺较为理想。

总体实验总结：

通过三个对比实验，我们发现：

本发明的钛合金在机械性能和耐腐蚀性能方面优于传统钛合金Ti-6Al-4V，尤其是实施例2和实施例5表现突出。

机械合金化处理时间为24小时能够在性能和效率之间达到最佳平衡。

热处理工艺参数为温度700℃、时间1小时的条件下，钛合金的综合性能最优。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高强度钛合金，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％。

2.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金，其特征在于，所述其他杂质元素包括氧、氮、碳和氢。

3.根据权利要求1所述的一种高强度钛合金，其特征在于，所述钛酸锶为纳米级粉末。

4.一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，采用上述权利要求1-3任一项所述的一种高强度钛合金制备，包括以下步骤：

S1、将称量后的各组分进行机械合金化处理，直至粉末粒径达到纳米级别；

S2、选取目数为200-400目的筛网，准备筛分设备，将机械合金化后的粉末筛分10-20min，收集粒径为10-40μm的合格粉末；

S3、在等离子体辅助选择性激光熔融设备中进行增材制造；

S4、对增材制造后的零件进行超声波辅助处理；

S5、对经超声波处理的零件进行热等静压处理；

S6、对经热等静压处理的零件进行热处理；

S7、对热处理后的零件进行机械加工。

5.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S1步骤具体包括以下步骤：

S1.1、原料准备：

按重量百分比称取以下组分：钛79％-83％、铝5％-7％、钒3％-5％、钛酸锶2％-4％、氮化硼1％-3％、碳化硅1％-3％、镍钛合金0.5％-2％、其他杂质元素≤0.1％；

S1.2、混合粉末：

将称量好的粉末混合均匀；

S1.3、机械合金化：

将混合后的粉末置于球磨机中，调整转速280-320rpm，进行机械合金化处理，处理时间为20-28h；

S1.4、粒径检测：

通过粒度分析仪检测粉末粒径，确保达到纳米级别，即<100nm。

6.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括以下步骤：

S3.1、设备准备：

确保等离子体辅助选择性激光熔融设备处于正常工作状态，进行必要的校准和维护；

S3.2、粉末铺设：

在等离子体辅助选择性激光熔融设备的工作平台上均匀铺设一层筛分后的复合钛合金粉末，每层厚度控制在20-40μm；

S3.3、打印过程：

激光束与等离子体束同步扫描，调整激光功率230-270W，扫描速度为1100-1300mm/s，激光束逐层熔化钛合金粉末，等离子体束预热并活化已成形部分，减少热应力并提高致密性，其中等离子体辅助参数为等离子体功率40-60W，频率15-25kHz；

层层叠加，重叠率为40％-60％，直至完成整个零件的制造。

7.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S4步骤具体包括以下步骤：

S4.1、设备准备：

确保超声波处理设备正常工作，进行必要的校准；

S4.2、超声波处理：

将增材制造后的零件置于超声波处理设备中；

设置超声波频率为18-22kHz，超声波功率为450-550W，处理时间为25-35min；

S4.3、处理过程：

开启超声波设备，对零件进行处理，消除微观缺陷和残余应力。

8.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S5步骤具体包括以下步骤：

S5.1、设备准备：

确保热等静压处理设备正常工作，进行必要的校准；

S5.2、热等静压处理：

将超声波处理后的零件置于热等静压处理设备中；

设置处理条件：温度880-920℃、压力140-160MPa、时间1.5-2.5h；

S5.3、处理过程：

启动热等静压处理设备，进行热等静压处理，以消除内部微孔和进一步减少残余应力。

9.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S6步骤具体包括以下步骤：

S6.1、设备准备：

确保热处理设备正常工作，进行必要的校准；

S6.2、退火处理：

将热等静压处理后的零件进行退火；

设置退火条件：温度680-720℃、时间0.8-1.2h；

S6.3、时效处理：

退火后，对零件进行时效处理；

设置时效处理条件：温度480-520℃、时间3.5-4.5h。

10.根据权利要求4所述的一种高强度钛合金增材的制备方法，其特征在于，所述S7步骤具体包括以下步骤：

S7.1、去除支撑结构：

使用合适的工具和方法，去除增材制造过程中使用的支撑结构；

S7.2、表面抛光：

对零件进行表面抛光处理，确保表面光洁度达到设计要求；

S7.3、尺寸精加工：

根据设计图纸，对零件进行尺寸精加工，确保零件尺寸和形状符合要求。