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編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：北京煜鼎增材制造研究院有限公司
權利要求
1.高溫高強鈦合金的增材制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1）準備TC11粉末和自制鋁合金粉末，將自制鋁合金粉末按質量比7wt.％-8wt.％加入到TC11合金粉末中； 2）將上述粉末在保護氣氛下放入球磨儀中進行高能球磨混合； 3）在保護氣氛下，采用高能束增材制造方式定向沉積鈦合金；所述高能束增材制造方式定向沉積采用激光束，且激光功率選用1500W-1800W，掃描速度7-8mm/s，送粉速率選擇70-80g/min，送氣速率23-27L/min； 4）將增材制造得到的鈦合金進行雙重退火熱處理；所述雙重退火熱處理的參數(shù)為，990℃/1h/AC+750℃/2h/AC； 所述自制鋁合金粉末的成分為，按質量百分比計，Mn：0.30-0.6，Zn：0.20-0.30，Cu：0.10-0.50，Si：0.10-0.5，Al余量；所述自制鋁合金粉末是按照成分將各個元素放入球磨罐進行球磨以得到熱機械固結冶金質量的預合金粉末。2.根據(jù)權利要求1所述的高溫高強鈦合金的增材制備方法，其特征在于，所述球磨和定向沉積時的氧分壓低于40ppm。
說明書
技術領域
本發(fā)明涉及激光增材制造鈦合金的方法，尤其是涉及一種高強鈦合金及其增材制備方法。
背景技術
鈦合金已經(jīng)在航空航天、艦船、汽車、化工、醫(yī)療器械和體育用品等領域獲得廣泛應用。就鈦合金的使用溫度而言，目前的鈦合金最高工作溫度已經(jīng)由最初的350℃提高至650℃。
TC11鈦合金是一種α+β型鈦合金，具體成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。TC11鈦合金比強度高、熱加工工藝性能良好，且耐腐蝕性強、熱膨脹系數(shù)低、熱導率低，在500℃下可以長時間使用。但是，隨著航空發(fā)動機推重比和渦前溫度的不斷提高，發(fā)動機零件的工作條件變得更為復雜和苛刻，所處溫度也越來越高，因此TC11鈦合金在使用過程中面臨著嚴重的高溫氧化等問題。
較高的鋁含量雖然一定程度上可以提高鈦合金的高溫強度等性能，但是過高的鋁含量在合金的成型過程中很容易產(chǎn)生偏析等問題，從而造成內(nèi)部組織缺陷，在高溫使用過程中成為裂紋和氧化等起始部位而造成零部件的整體失效，同時合金在鍛造中極容易發(fā)生開裂而導致成品率低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高強鈦合金及其增材制備方法，利用增材制造技術同時實現(xiàn)材料制備和成形。
第一，本發(fā)明提供一種高溫高強鈦合金，按質量百分比計，包括，80-88%Ti；8%-14.5%Al；2.8-3.8%Mo；0.8-2.0%Zr；0.2-0.5%Si；1.2-1.3%Mn；0.7-1%Zn；0.1-0.3%Cu。
進一步優(yōu)選的，Al含量為11-13%。
進一步優(yōu)選的，所述鈦合金在500℃時的屈服強度為900MPa以上，延伸率20%以上，斷面收縮率60%以上。
第二，本發(fā)明還提供了上述技術方案所述的高溫高強鈦合金的高能束增材制備方法，包括以下步驟：
1）準備TC11粉末和鋁合金粉末，以使得上述粉末混合后配比滿足所述高溫高強鈦合金的成分要求；
2）將上述粉末在保護氣氛下放入球磨儀中進行高能球磨混合；
3）在保護氣氛下，采用高能束增材制造方式定向沉積鈦合金；
4）將增材制造得到的鈦合金進行雙重退火熱處理。
進一步優(yōu)選的，所述鋁合金粉末的成分為，按質量百分比計，Mn：0.30-0.6，Zn：0.20-0.30，Cu：0.10-0.50，Si：0.10-0.5，Al余量。
進一步優(yōu)選的，所述鋁合金粉末是按照成分將各個元素放入球磨罐進行球磨以得到熱機械固結冶金質量的預合金粉末。
進一步優(yōu)選的，所述球磨和定向沉積時的氧分壓低于40ppm。
進一步優(yōu)選的，所述高能束增材制造方式定向沉積采用激光束或電子束，且功率選用1500W-1800W，掃描速度7-8mm/s，送粉速率選擇70-80g/min，送氣速率23-27L/min。
進一步優(yōu)選的，所述雙重退火熱處理的參數(shù)為，990℃/1h/AC+750℃/2h/AC。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
首先，本發(fā)明的高鋁含量的高溫高強鈦合金，可通過激光、電弧或電子束等高能熱源，而傳統(tǒng)制備技術熱輸入不足，難以得到致密組織，且增材制造小熔池以及高冷卻速率的特點也降低了元素的偏析，使得合金元素分配均勻，整個制備過程在保護氣氛環(huán)境下進行。本發(fā)明制備方式一方面保證了制備的高自由度、低成本、低周期以及便捷性，同時，確保了試樣內(nèi)雜質含量很低。確保合金在高溫下的高強度與一定的塑韌性。
第二，本發(fā)明是一種α-β型鈦合金耐熱鈦合金，通過α-β區(qū)的熱變形和熱處理，該合金的最高長期工作溫度至少為500℃，具體是以TC11為基礎，進一步提高Al含量，提高α相穩(wěn)定性，獲得更優(yōu)的高溫性能。
第三，本發(fā)明配粉過程中，先通過特定的球磨工藝獲得了熱機械固結冶金質量的自制鋁合金預合金粉末，而后再將自制鋁合金預合金粉末與TC11進行混粉，從而保證了混粉的均勻性，最大程度避免了冶金過程中合金元素的偏析，保證了合金的性能。
第四，本發(fā)明優(yōu)化了高能束增材制造和后續(xù)熱處理的工藝參數(shù)，使之與本發(fā)明的合金設計匹配，獲得了優(yōu)異的高溫性能。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的鈦合金的顯微組織照片。
圖2為比較例的鈦合金的顯微組織照片。
具體實施方式
以下將結合本發(fā)明實施例中的附圖對本發(fā)明實施例中的技術方案進行描述。
本發(fā)明首先提出了一種提出了一種以TC11鈦合金為基礎開發(fā)的新型高溫高強鈦合金。TC11鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si（具體成分如下表1所示），是一種α-β型鈦合金耐熱鈦合金，通過α-β區(qū)的熱變形和熱處理，該合金的最高長期工作溫度達到500℃以上。以TC11為基礎，進一步提高Al含量，提高α相穩(wěn)定性，獲得更優(yōu)的高溫性能。
表 TC11鈦合金的化學成分
傳統(tǒng)鈦合金成分設計時以鋁當量為準，鋁當量計算方法如式 1-1 所示。一方面通過提高鋁當量加強 α 相穩(wěn)定性和固溶強化效果，以提升合金使用溫度和高溫性能，另一方面避免鋁當量超過上限（一般小于12），以免發(fā)生韌脆轉變：
Al eq =wt.%Al+1/3wt.%Sn+1/6wt.%Zr+10wt.%O（1-1）
從鋁當量計算公式可以看出 Al 和 Sn 元素對鋁當量貢獻最大。這兩種 α 穩(wěn)定元素在 α 相中溶解度較大，進而固溶強化效果較好，而且能促進 α→α 2有序化轉變，提高合金高溫性能，但負面影響是經(jīng)過長期熱暴露后會引起合金塑性降低，發(fā)生韌脆轉變。對比這兩種元素，Sn 元素強化效果小于Al元素，可代替Al元素進行補充強化，這樣能緩解 Al濃度過高帶來熱穩(wěn)定性的損失。中性元素Zr與Ti基體無限互溶，通過置換Ti原子進行固溶強化，同時還可有助于硅化物的沉淀析出，提升蠕變性能。除此了上述主干元素以外，合金中還添加少量 Mo等 β 穩(wěn)定元素，以改善合金的熱加工性能，并提升合金的熱穩(wěn)定性。這種設計思路還被推廣到Ti-Al 基合金的研制。另外，Si 元素是高溫鈦合金中必不可少的微量元素，合金中添加的 Si 元素通過固溶強化和沉淀強化作用可以顯著提升合金的高溫性能。
然而，Al含量很高的鈦合金，鍛造容易開裂，所以本發(fā)明采用混粉的方法，以TC11粉末與一種新型自制鋁合金粉末（自制的目的一方面是獲得設計成分的鈦合金、另一方面也是為了使得合金成分混合更充分均勻避免后續(xù)發(fā)生偏析）進行混粉，然后利用激光增材制造技術進行制備，自制新型鋁合金粉末成分如下表2所示。
表2自制中間鋁合金的化學成分
這種自制鋁合金粉末制備雖然可以先通過激光熔煉制得預合金，然后利用球磨機或氣體霧化技術得到預合金粉，但此種方法制備比較困難且成本很高；本發(fā)明優(yōu)選按照表2中各元素的含量比例在球磨罐中放入純粉進行球磨以得到熱機械固結冶金質量的預合金粉，然后再利用球磨機將自制鋁合金粉末與TC11進行球磨混粉。
實施步驟
1）將自制鋁合金粉末按質量比1.1wt.％-8wt.％加入到TC11合金粉末或碎屑中，得到500g混合合金粉末并將其放入球磨罐中，加入500 g尺寸不等的 440C 耐磨鋼球，充入氬氣并密封罐體，使整個球磨過程在無氧環(huán)境下進行，避免球磨時產(chǎn)生的新鮮表面被快速氧化。使高能球磨機，先使用 250 轉/分鐘預混30 min，確保合金粉末混合均勻，再使用600轉/分鐘進行高能球磨50h。高能球磨時，對罐體進行風冷，同時，每球磨2.5h，暫停 15min，以防止粉體過熱，影響細化晶粒。球磨完成后，將球磨粉用 100 目篩網(wǎng)篩分獲得0-100目的粉末，以保證熱機械固結的冶金質量。其中，自制鋁合金粉末也采用上述相同的球磨工藝，不再贅述。
2）在整個沉積過程開始前，要對成型倉內(nèi)進行抽氣處理，成型倉中氣體的
氧含量要為低于40 ppm。
3）激光束和送粉管同步在基板（基板優(yōu)選TC11鈦合金板，如果考慮成本也可以使用鋼板）上擺動前進（如蛇形掃描），通過激光束的熱量熔化粉末形成多層相互融合的焊縫，并最終形成所需的鈦合金塊。
4）激光成型的主要工藝參數(shù)為：激光功率1500-1800W，過低，會使熔池過小，過高，熔池過大，會使表面凹陷；掃描速度7-8mm/s，不易過快；送粉速度70-80g/min，過快會使熔池快速填滿并溢出，過慢則會使熔池來不及被填滿形成凹陷。
5）沉積后進行雙重退火熱處理，熱處理制度為：990℃/1h/AC+750℃/2h/AC，如此，在高溫退火后，可保留部分亞穩(wěn)定相，再經(jīng)過低溫退火時可以充分分解，即，使β相充分分解，引起強化效應，可以改善α鈦合金、近α型鈦合金以及α+β鈦合金的塑性、斷裂韌性和組織穩(wěn)定性。
實施例1
1）分別將TC11粉末（400g）和自制鋁合金粉末（100g，成分如表3所示)放入球磨罐中，加入500 g尺寸不等的 440C 耐磨鋼球，充入氬氣并密封罐體，使整個球磨過程在無氧環(huán)境下進行，避免球磨時產(chǎn)生的新鮮表面被快速氧化。使高能球磨機，先使用 250 轉/分鐘預混30 min，確保合金粉末混合均勻，再使用 600轉/分鐘進行高能球磨50h。高能球磨時，對罐體進行風冷，同時，每球磨2.5h，暫停 15 min，以防止粉體過熱，影響細化晶粒。球磨完成后，將球磨粉用 100 目篩網(wǎng)篩分獲得0-100 目的粉末，以保證熱機械固結的冶金質量；后將自制鋁合金粉末按質量比7wt.％放入三維混合機與TC11合金粉末進行充分混合，得到500g混合粉末。
表3自制鋁合金成分
2）在整個沉積過程開始前，要對成型倉內(nèi)進行抽氣處理，大氣中的氧含量要為低于40 ppm。
3）激光束和送粉管同步在TC11基板上擺動前進，通過激光束的熱量熔化粉末形成多層相互融合的焊縫，并最終形成所需的鈦合金塊，尺寸為：80mm×80mm×50mm。
4）激光成型的主要工藝參數(shù)為激光功率1800W、掃描速度8mm/s和送粉速度80g/min，送氣速率25L/min。
5）為提高其韌性，將得到的塊狀試樣進行雙重退火熱處理，熱處理制度為：990℃/1h/AC+750℃/2h/AC。
從圖1可以看出熱處理后新型高溫高強鈦合金組織為網(wǎng)籃組織，并伴有部分初生α相，組織致密無缺陷。
表4為實施例1在500℃時測試的力學性能參數(shù)，可以看出新型高溫高強鈦合金在500℃時的強度和韌性均遠優(yōu)于TC11鍛件。
表4新型鈦合金500℃的拉伸性能
比較例1：
比較例1中，與實施例1主要不同在于自制鋁合金粉的添加量為10%，如圖2所示，顯微組織中明顯看到有脆性相析出。
比較例2：
比較例2中，與實施例1主要不同在于自制鋁合金粉的添加量為0.6%，測得其鈦合金的性能參數(shù)如下表5所示，可以看到其與TC11鍛件相比性能沒有任何優(yōu)勢。
表5新型鈦合金500℃的拉伸性能
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
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2024年11月01日 ~ 04日 
