一种高强钛合金及其增材制备方法与流程

1.本发明涉及激光增材制造钛合金的方法，尤其是涉及一种高强钛合金及其增材制备方法。


背景技术：

2.钛及钛合金因其具备的高比强度、优异的耐热性、耐蚀性、生物相容性、高的塑韧性等优点，在航空航天、船舶、轨道交通、生物医疗等高端工业中具有较高的应用比例以及广阔的应用前景。其相比于传统工业中广泛应用作为结构材料的钢铁以及铝合金，钛合金具有更为优异的综合性能。而随着现代工业的发展，航空航天等领域对于高强度钛合金的需求日益上升，而传统的钛合金面对未来的应用环境以及制备方式其成分仍需改进。
3.增材制造作为一种新型制造工艺，由于其具备的高自由度，低制备周期等优势，十分适用于航空航天、国防军工等高端领域。而钛合金由于其高比强等优点，广泛应用于航空航天工业，是增材制造应用最多的材料之一，增材制造钛合金已广泛应用于航空航天等领域，而目前应用的传统钛合金成分牌号主要面向的是传统制造方式如铸造、锻造等，而增材制造相比传统冶金方式，由于其小熔池的特点，具备极高的冷却速率以及更低的元素偏析，由于其冶金环境差异较大，传统成分的钛合金对于增材制造会出现一些不适用的情况，所以需要开发出一种面向增材制造的新型高强钛合金。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高强钛合金及其增材制备方法，利用增材制造技术同时实现材料制备和成形。
5.第一，本发明提供一种高强钛合金，按质量百分比计，包括，ti:84.5-85.5%；al:6.0-6.5%；v:3.5-4%；cr:1.4-1.5%；fe:1.4-1.5%；mn:1.2-1.3%；sn:0.7-1%。
6.进一步优选的，al与v的比例为3：2。
7.进一步优选的，cr、fe、mn与sn的总质量分数不超过5%，不低于4.5%。
8.进一步优选的，所述钛合金的室温抗拉强度为1250mpa以上，显微硬度为390hv以上。
9.第二，本发明还提供了上述技术方案所述的高强钛合金的激光增材制备方法，包括以下步骤：1）准备粒径60-70μm的tc4粉末、65-70μm粒径的fe-cr二元合金粉末、25-30μm的纯锰粉以及纯锡粉，以使得上述粉末混合后配比满足所述钛合金的成分要求；2）将上述粉末在保护气氛下放入球磨仪中进行高能球磨混合；3）在保护气氛下，采用高能束增材制造方式定向沉积钛合金；4）将增材制造得到的钛合金进行去应力退火。
10.进一步优选的，所述球磨和定向沉积时的氧分压低于100ppm。
11.进一步优选的，所述高能束增材制造方式定向沉积采用激光束，且激光功率选用
1500w-1800w，光斑直径选用6-8mm，送粉速率选择80-90g/min。
12.进一步优选的，所述高能束增材制造方式定向沉积采用电子束，且电子束电压为50-70kv，束流12-18ma，层厚80-100μm。
13.进一步优选的，所述去应力退火的参数为，650-700℃4h。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，本发明开发了一种基于固溶强化的以tc4钛合金为基础的增材制造专用的新型高强钛合金。通过特定的合金成分组成，添加适量的β稳定元素，调控钛合金组织内α相的数量与形貌进而提高其力学性能；同时，能够通过固溶强化进一步强化α相性能，进而提高其强度。
15.第二，本发明相比传统β钛合金内添加的较多的mo、v、zr等昂贵的强化元素，本发明设计的新型钛合金结合增材制造的高热输入以及极高的冷却速率，同时考虑到降低成本，选用合金元素价格更低，是一种低成本的钛合金。
16.第三，通过在混合和增材整个制备工艺中使用保护气氛以及增材制造的短周期特点最大程度降低了杂质元素的引入，并且配粉过程中使用tc4钛合金为主体原料配合更难以氧化的铁铬二元合金，再辅以相应的激光工艺参数，从而保证了钛合金的性能。
附图说明
17.图1为本发明实施例1的钛合金的显微组织照片。
18.图2为本发明实施例3的钛合金的显微组织照片。
19.图3为本发明实施例4的钛合金的显微组织照片。
具体实施方式
20.以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
21.本发明首先提出了一种新型增材制造专用高强钛合金的成分设计。其各元素质量分数如下：ti:84-85.5%；al:6.0-6.5%；v:3.5-4%；cr:1.4-1.5%；fe:1.4-1.5%；mn:1.2-1.3%；sn:0.7-1%。其中，优选al与v的比例为3：2，且cr、fe、mn与sn的总质量分数不超过5%，不低于4.5%。
22.按照多批次实验结果，随着al含量增加，应相应提高β稳定元素v含量，从而限制过多al增加形成tial金属间化合物，因此al与v的比例优选为3：2；合金元素cr、fe、mn、sn的总质量分数不超过5%，低于5%时无法达到最优强化效果、也不能抵消高含量al形成金属间化合物的趋势，高于5%时则容易偏聚形成β斑缺陷，不易消除。
23.这种新型合金以tc4钛合金为基础进行设计，借助了tc4钛合金的高比强、高可焊性、高稳定性等优点，还添加了1.4-1.5%cr，1.4-1.5