一种适于增材制造工艺的钛合金体系和部件制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种适于增材制造工艺的钛合金体系和部件制备工艺，属于钛合金技术领域。该钛合金组成(wt.％)为：Al：1～4％，V：3～8％，Fe：3～8％，Ni：0～2％，Zr：0～％，余量为Ti。该钛合金特征：(1)增材制造凝固过程中，钛合金中的元素能够在液固界面前端富集，使界面前端液相稳定，抑制柱状晶连续生长，从而获得等轴晶粒；(2)钛合金增材制造的部件具有弱化的织构，可以使部件力学性能各向同性。利用本发明专利技术提钛合金制备的增材制造部件具有等轴晶及弱化的织构，在根本上解决了传统钛合金增材制造后柱状晶及力学性能各向异性的瓶颈问题，本技术可被广泛应用于航空、航天、海洋、兵器等技术领域。技术领域。

【技术实现步骤摘要】
一种适于增材制造工艺的钛合金体系和部件制备工艺


[0001]本专利技术涉及钛合金
，具体涉及一种适于增材制造工艺的钛合金体系和部件制备工艺。

技术介绍

[0002]钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、舰船、陆装等领域获得了广泛的应用。除了传统锻造、铸造、机加工钛合金部件外，近年来快速发展的粉末增材制造工艺为高效率制备复杂结构钛合金部件提供了潜在的可能性技术路线。然而，由于增材制造工艺属新工艺、新技术，目前增材制造技术选择的钛合金均为适于锻造、铸造等传统钛合金，如Ti-6Al-4V(TC4)合金、Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(TC18)合金等。大量的前期研究结果表明，采用目前TC4、TC18等传统钛合金增材制造的钛合金部件均存在显著的柱状晶粒及力学性能各向异性，对结构承载安全性带来了隐患。
[0003]增材制造是一种逐层微区熔化的制造工艺，制造过程中熔化区热量主要由上至下传递，热量的定向传导导致熔化金属凝固过程中晶粒沿与热量传输的反方向优先生长，因此形成由下而上的显著生长的柱状晶粒，粗大的柱状晶粒将显著降低材料的塑性变形能力，同时沿一定方向的柱状晶粒必将导致不同方向力学性能的差异，即具有显著的力学性能各向异性。由此可见，钛合金增材制造部件柱状晶粒对力学性能具有明显不利影响，消除柱状晶粒是增材制造领域内的技术难点，虽然能够通过增材制造工艺优化来降低柱状晶粒倾向，但并不能从根本上解决柱状晶粒生长问题。
[0004]钛合金增材制造过程中，在相构成上，将依次主要经历液相、β固相、α+β两相等，在液相至体心六方β固相转变的过程中，易形成β相的{100}织构，并且在逐层微区熔化过程中，新熔化的上层将继承下层的晶粒取向，即β相的{100}织构将由局部微区逐步发展为宏观整个部件。β相的{100}织构还将对后续α相晶体取向产生影响。因此，钛合金增材制造过程中易产生宏观部件的晶体择优取向，进而导致部件力学性能的各向异性，对于结构承载将产生显著的不利影响。
[0005]综上所述，目前传统钛合金增材制造部件存在显著的柱状晶粒及晶体择优取向，对增材制造部件的结构承载将产生显著的不利影响，如何消除柱状晶粒及晶体择优取向一直是钛合金增材制造领域的技术难点。研发适于增材制造的新型钛合金成分体系，显著消除柱状晶粒及晶体择优取向，能够显著提升钛合金增材制造部件的服役安全性及可靠性。发展适于增材制造工艺的高强钛合金也符合我国航空、航天、舰船、陆装等高
的技术需求，可以填补国内在本
的空白。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种适于增材制造工艺的钛合金体系和钛合金部件的制备工艺，利用特定钛合金成分和工艺制备的钛合金部件，具有等轴晶及弱化的β相{100}织构，部件力学性能各向同性，解决了传统增材制造制备的钛合金具有粗大柱状晶及力学性
能各向异性的瓶颈问题，大幅度提升了增材制造部件的结构服役性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种适于增材制造工艺的钛合金体系，按重量百分含量计，该钛合金体系的化学成分如下：
[0009]Al：1～4％，V：3～8％，Fe：3～8％，Ni：0～2％，Zr：0～4％，O<0.25％，N<0.01％，H<0.001％，余量为Ti及不可避免的杂质。
[0010]利用所述钛合金体系进行钛合金部件的制备，其制备工艺艺包括如下步骤：
[0011](1)按照所述钛合金体系的化学成分进行配料，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭；
[0012](2)将铸锭在β单相区或α+β两相区锻造成棒材，所得棒材采用气雾化法或旋转电极等技术制备出钛合金粉末；
[0013](3)利用步骤(2)制备的钛合金粉末，并根据最终产品所需形状及规格，采用增材制造工艺(热源为激光束或电子束等高能束流)打印出钛合金部件。
[0014]上述步骤(1)中，制备钛合金铸锭的原料为海绵钛、钒铁合金、铁粉、镍片、海绵锆和铝豆等，其中：所述钒铁合金中V元素含量为45～55wt.％，余量为铁；所述铝豆的粒度范围为1～10mm。
[0015]上述步骤(3)中，将3D打印的钛合金部件在真空或大气炉中进行热处理，通过热处理不仅消除残余应力，同时调节钛合金显微组织尺寸来优化增材制造钛合金部件的力学性能；所述热处理温度范围为400℃～900℃，热处理时间3～10小时。
[0016]本专利技术钛合金成分及部件设计原理如下：
[0017]1、利用钛合金液相至固相转变过程中合金元素再分配原理，辅助于材料基因组计算方法，筛选出在液固界面前端富集的添加元素，使得界面前端液相稳定，从而抑制了增材制造过程中柱状晶连续生长，使得增材制造部件表现出等轴晶粒，同时晶体择优取向被显著弱化。
[0018]通过开展TC18传统高强钛合金3D打印工艺试验(图1、图2)可以看出，3D打印部件均存在明显的柱状晶及β{100}织构，并且由于β相区热处理后会形成较锻造态明显粗化的β晶粒，3D打印钛合金并不适合采用β相区热处理的方式来消除柱状晶粒及β相{100}织构。因此，有必要开展适于3D打印的新型高强钛合金成分设计，消除3D打印钛合金部件均存在明显的柱状晶及β{100}织构。然而，钛合金添加元素种类繁多，对液固相变过程中晶粒的生长行为影响不同，并且元素之间的强韧化也各不同，采用传统试验方法效率低、投入大。材料计算模拟技术为新型钛合金的成分设计提供了高效的辅助手段。
[0019]首先计算模拟了钛基二元系合金的热力学平衡相图。通过对液固相线的特点，将合金化元素分为两类，一类是以Cr、Fe、V、Cu、Ni、Zr等为代表的合金元素，该类型元素与Ti二元合金液相溶质原子平衡浓度高于固相，即液固相变过程中，固相中的溶质原子将向液相偏聚；另一类是以Al、Mo、Nb为代表的合金元素，该类型元素与Ti二元合金液相溶质原子平衡浓度低于固相，从而在液固相变过程中，液相中的溶质原子将向固相偏聚。液固相变中溶质原子向固相或液相偏聚行为，理论上将影响固相晶粒生长，特别是Ti-Fe等二元合金液固相变过程中，固相中的溶质原子将向液相偏聚，从而将在液固界面的液相附近形成溶质原子富集区，非平衡元素浓度将使得液相在该温度下更为稳定，从而抑制了固相柱状晶粒
的生长，有助于弱化柱状晶粒及晶体择优生长。
[0020]多元合金的相变过程更为复杂，特别是固态相变中可能形成脆性化合物，大幅度降低合金的塑性及韧性。根据二元合金相图分析及不同元素在强韧化中的作用，初步设计了多种多元高强钛合金，同样借助于材料计算模拟手段，对合金的热力学平衡相图进行了计算分析，结果如图3～图6所示，初步筛选出了无脆性化合物析出的合金体系，主要包括Ti-Al-V-Fe系、Ti-Al-V-Zr-Fe系与Ti-Al-V-Fe-Zr-Ni系。
[0021]2、传统钛合金中铁元素含量一般被限制在3％重量百分比以下，本专利技术中，添加了较高铁元素本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适于增材制造工艺的钛合金体系，其特征在于：按重量百分含量计，该钛合金体系的化学成分如下：Al：1～4％，V：3～8％，Fe：3～8％，Ni：0～2％，Zr：0～4％，O<0.25％，N<0.01％，H<0.001％，余量为Ti及不可避免的杂质。2.利用权利要求1所述钛合金体系进行的钛合金部件的制备工艺，其特征在于：该制备工艺包括如下步骤：(1)按照所述钛合金体系的化学成分进行配料，利用真空自耗炉熔炼出钛合金铸锭；(2)将铸锭在β单相区或α+β两相区锻造成棒材，所得棒材采用气雾化法或旋转电极等技术制备出钛合金粉末；(3)利用步骤(2)制备的钛合金粉末，并根据最...

【专利技术属性】
技术研发人员：马英杰，雷家峰，杨锐，黄森森，邱建科，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：