一种适用于增材制造的Ti-Al-V-Ta双相钛合金的制作方法

一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金
技术领域
1.本发明涉及一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，属于增材制造技术领域。


背景技术：

2.增材制造技术是一种“自下而上”的零件成型方法，主要基于离散累积的成型理念，与传统的机械加工的方法相比，减少了机械加工的部分，降低机械加工中材料废料的产生，大大提高了加工速度，降低了产品的风险。
3.钛合金具有高的比强度、良好的耐蚀性、优异的生物相容性及优良的高温力学性能。因此，钛及钛合金广泛应用于航空航天工业、化学工业、医疗工程和体育用具等行业。因此，由于钛合金优异的可焊性，非常适用于金属的3d打印，被广泛地应用于增材制造领域。α+β双相钛合金，例如tc4钛合金，但是tc4钛合金在增材制造后增材体的性能往往低于预期，例如室温延伸率往往会低于10％，室温抗拉强度约为900～1050mpa，其力学性能有待于进一步提高。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，能够解决普通钛合金的增材体的性能低的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其组分按照质量百分含量计算，含有al：3.5～4.5％，v：3.5％～4.5％，ta：5.0％～6.0％，fe：0.2％～0.3％，si：0.1～0.2％，o：0.07％～0.2％，c≤0.06％，cr≤0.03％，cu≤0.015％，mn≤0.03％，余量为ti。
6.本发明进一步的技术方案，所述ti-al-v-ta双相钛合金的室温抗拉强度为1200～1320mpa，室温屈服强度为1130～1295mpa，室温断后伸长率为17～25％。
7.本发明进一步的技术方案，所述ti-al-v-ta双相钛合金采用送粉工艺进行增材制造，将ti-al-v-ta双相钛合金粉末经激光选区熔化工艺制成ti-al-v-ta双相钛合金块体。
8.本发明进一步的技术方案，将ti-al-v-ta双相钛合金粉末送至激光选区熔化装置在基板上进行增材制造，设置激光功率为250～450w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为800～1800mm/s，扫描间距为60～80μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体。
9.其中，将ti-al-v-ta双相钛合金按照上述组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成ti-al-v-ta双相钛合金粉末，所述ti-al-v-ta双相钛合金粉末的粒径为15～53μm。
10.其中，所述ti-al-v-ta双相钛合金的室温抗拉强度为1210～1320mpa，室温屈服强度为1150～1295mpa，室温断后伸长率为17～25％。
11.本发明进一步的技术方案，所述ti-al-v-ta双相钛合金采用送丝工艺进行增材制造，将ti-al-v-ta双相钛合金丝材经tig(钨极氩弧焊)增材制造工艺制成ti-al-v-ta双相
钛合金块体，该块体的每一层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
12.本发明进一步的技术方案，将ti-al-v-ta双相钛合金丝材送至tig增材制造装置在基板上进行增材制造，送丝速度为3～5m/min，焊接速度为20～40cm/min，焊接电流为95～105a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，且该块体的每一层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
13.其中，所述ti-al-v-ta双相钛合金按照上述组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成ti-al-v-ta双相钛合金丝材，所述ti-al-v-ta双相钛合金丝材直径为0.8～1.2mm。
14.ti-al-v-ta双相钛合金中各组分的作用如下：
15.al：钛合金中al主要起固溶强化作用，每添加1％al，抗拉强度在增加50mpa，al还可以改善抗氧化性，降低合金密度，并显著提高钛合金再结晶温度，铝提高钛固溶体中原子结合力，从而改善热强性，al含量超过最大固溶度7.5％，会形成第二相，降低合金塑性及韧性，并会产生应力腐蚀，故一般加铝量不超过7％；本发明的al组分范围是3.5％～4.5％，含量太低，强度较低，含量太高，塑性下降。
16.v：v在钛合金中属于β相稳定元素，可固溶强化β相，并可以降低相变点，增加淬透性，提高热处理强化效果；含v的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好，单独加v时，合金耐热性不高；本发明的v组分范围是3.5％～4.5％，含量太低，强度较低，含量太高，塑性下降。
17.ta：ta在钛合金中属于β相稳定元素，可固溶强化β相，并可以降低相变点，增加淬透性，提高热处理强化效果；本发明的ta组分范围是5.0％～6.0％，大量实验研究表明，此时钛合金在增材后强度较高的同时，塑性仍然很好。
18.fe：fe在钛合金中属于β相稳定元素，是最强的β相稳定元素之一，其固溶强化β相作用，提高钛合金的塑性，但其热稳定性较差，易产生偏析，因此钛合金较少含fe；本发明显著提高了fe的含量，使其控制在0.2％～0.3％范围内，同时控制si含量为0.1％～0.2％，在于ta、fe、si三者的协同作用下，可以大幅度降低o对钛合金性能的影响，fe含量太低，强度较低，fe含量太高，塑性下降。
19.si：si在钛合金中会提高合金的耐热性，但一般不超过最大固溶度0.25％，这是由于si和ti尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而提高耐热性；本发明的si组分范围是0.1％～0.2％，含量太低，强度较低，含量太高，塑性下降。
20.o：o在钛合金中会提高钛合金强度，大幅降低合金塑性，是钛合金中需要控制的杂质元素；本技术的o组分范围控制在0.07％～0.2％，含量太低，强度较低，含量太高，塑性下降。
21.需要特别指出的是，上述的各组分的作用是指该组分的单一加入时的作用，几种组分同时加入的交互作用是材料科学尚待研究的问题，只能通过实验研究确定元素的协同作用，经大量实验研究表明本发明的ti-al-v-ta双相钛合金中，其特性不是各元素的简单叠加，而是存在协同效应；本发明的ti-al-v-ta双相钛合金，当组分在“al：3.5～4.5％，v：3.5％～4.5％，ta：5.0％～6.0％，fe：0.2％～0.3％，si：0.1～0.2％，o：0.07％～0.2％，c≤0.06％，cr≤0.03％，cu≤0.015％，mn≤0.03％，余量为ti”范围内时，其增材后的力学性能优异，优于tc4钛合金。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明ti-al-v-ta双相钛合金的各组分质量百分含量得到改进，适用于增材制造，增材制造的成品的室温抗拉强度为1200～1320mpa，室温屈服强度为1130～1295mpa，室温断后伸长率为17～25％；本发明的ti-al-v-ta双相钛合金经增材制造获得，成品成型性好，具有良好的强度和塑性，解决了普通钛合金的增材体的性能低的问题。
具体实施方式
23.为了对本发明作出更加清楚完整地说明，下面用具体实施例说明本发明，但并不是对发明的限制。
24.本发明的实施例1～实施例7是采用送丝工艺进行增材制造，实施例1～实施例7的ti-al-v-ta双相钛合金丝材的制备工艺为现有技术，主要的制备过程为熔炼、锻造、轧制、拉拔等工序。
25.本发明将按照实例1～实施例7的ti-al-v-ta双相钛合金的组分质量百分含量分别经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为0.8～1.2mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材。
26.实施例1
27.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
28.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为0.8mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为3.5m/s，焊接速度为25cm/min，焊接电流为100a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
29.实施例2
30.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
31.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.0mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为5m/s，焊接速度为40cm/min，焊接电流为95a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
32.实施例3
33.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
34.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.2mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为3m/s，焊接速度为25cm/min，焊接电流为105a，增材制造前预
抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
35.实施例4
36.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.42％，v：4.43％，ta：5.91％，fe：0.29％，si：0.17％，o：0.16％，c：0.06％，cr：0.03％，cu：0.015％，mn：0.03％，ti：84.485％。
37.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.0mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为3.5m/s，焊接速度为50cm/min，焊接电流为100a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
38.实施例5
39.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.58％，v：3.61％，ta：5.02％，fe：0.21％，si：0.13％，o：0.12％，c：0.042％，cr：0.016％，cu：0.006％，mn0：0.016％，ti：87.25％。
40.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.0mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为4.5m/s，焊接速度为35cm/min，焊接电流为105a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
41.实施例6
42.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.11％，v：4.08％，ta：5.52％，fe：0.25％，si：0.16％，o：0.19％，c：0.054％，cr：0.021％，cu：0.01％，mn：0.021％，ti：85.098％。
43.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.0mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为4.0m/s，焊接速度为30cm/min，焊接电流为100a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
44.实施例7
45.一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.11％，v：4.25％，ta：5.55％，fe：0.24％，si：0.15％，o：0.08％，c：0.054％，cr：0.022％，cu：0.012％，mn：0.022％，ti：85.51％。
46.将上述的组分质量百分含量经熔炼、锻造、轧制、拉拔制成直径为1.0mm的ti-al-v-ta双相钛合金丝材，然后使用tig增材制造工艺在手套箱内对ti-al-v-ta双相钛合金丝材进行增材制造，送丝速度为4.5m/s，焊接速度为40cm/min，焊接电流为95a，增材制造前预抽真空后充入氩气，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体，该块体每层焊道与该层焊道的下一层焊道垂直。
47.测试例1
48.将上述实施例1～实施例7获得的ti-al-v-ta双相钛合金块体分别切割成平行于基板方向和垂直于基板方向的两类试样。
49.1、试样微观组织测试
50.将实施例1～实施例7切割的两类试样分别进行金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为网篮状组织，平行于基板方向的试样显微组织为等轴晶；垂直于基板方向的试样显微组织为柱状晶。
51.2、试样力学性能测试
52.按照拉伸实验国家标准gb/t288-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，将实施例1～实施例7切割的两类试样进行拉伸实验，得到平行于基板方向的和垂直于基板方向的力学性能，测试结果如表1所示。
53.表1
[0054][0055][0056]
从上述测试例1中的试样微观组织和试样力学性能测试中可知，实施例1～实施例7采用送丝工艺进行增材制造，获得的ti-al-v-ta双相钛合金成品成型性好，室温抗拉强度为1200～1320mpa，室温屈服强度为1130～1280mpa，室温断后伸长率为17～25％，具有良好的强度和塑性。
[0057]
本发明的实施例8～实施例14是采用送粉工艺进行增材制造，实施例7～实施例8的ti-al-v-ta双相钛合金粉末的制备工艺为现有技术，主要的制备过程为真空惰性气体雾化工艺。
[0058]
本发明将按照实例1～实施例7的ti-al-v-ta双相钛合金的组分质量百分含量分别经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末。
[0059]
实施例8
[0060]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
[0061]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为350w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为70μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0062]
实施例9
[0063]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
[0064]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为450w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为800mm/s，扫描间距为60μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0065]
实施例10
[0066]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.98％，v：3.95％，ta：5.56％，fe：0.26％，si：0.17％，o：0.11％，c：0.046％，cr：0.027％，cu：0.009％，mn：0.027％，ti：85.861％。
[0067]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为250w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1800mm/s，扫描间距为80μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0068]
实施例11
[0069]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.42％，v：4.43％，ta：5.91％，fe：0.29％，si：0.17％，o：0.16％，c：0.06％，cr：0.03％，cu：0.015％，mn：0.03％，ti：84.485％。
[0070]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为350w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为70μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0071]
实施例12
[0072]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：3.58％，v：3.61％，ta：5.02％，fe：0.21％，si：0.13％，o：0.12％，c：0.042％，cr：0.016％，cu：0.006％，mn0：0.016％，ti：87.25％。
[0073]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为350w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为70μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0074]
实施例13
[0075]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.11％，v：4.08％，ta：5.52％，fe：0.25％，si：0.16％，o：0.19％，c：0.054％，cr：0.021％，cu：0.01％，mn：0.021％，ti：85.098％。
[0076]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为350w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为70μm，获得
ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
×
10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0077]
实施例14
[0078]
一种适用于增材制造的ti-al-v-ta双相钛合金，其各组分按照质量百分含量计算，含有al：4.11％，v：4.25％，ta：5.55％，fe：0.24％，si：0.15％，o：0.08％，c：0.054％，cr：0.022％，cu：0.012％，mn：0.022％，ti：85.51％。
[0079]
将上述的组分质量百分含量经真空惰性气体雾化工艺制成粒径为15～53μm的ti-al-v-ta双相钛合金粉末，然后使用激光选区熔化技术在基板上进行增材制造，设置激光功率为350w，选择光斑直径为130μm的岛扫描，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为70μm，获得ti-al-v-ta双相钛合金块体，获得尺寸为10
×
10
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10cm的ti-al-v-ta双相钛合金块体。
[0080]
测试例2
[0081]
将上述实施例8～实施例14获得的ti-al-v-ta双相钛合金块体分别切割成平行于基板方向和垂直于基板方向的两类试样。
[0082]
1、试样微观组织测试
[0083]
将实施例8～实施例14切割的两类试样分别进行金相试样观察试样微观组织，发现增材体的组织均为细小的层状结构，内部孔隙少，致密度较高。
[0084]
2、试样力学性能测试
[0085]
按照拉伸实验国家标准gb/t288-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，将实施例8～实施例14切割的两类试样进行拉伸实验，得到平行于基板方向的和垂直于基板方向的力学性能，测试结果如表2所示。
[0086]
表2
[0087][0088]
从上述测试例2中试样微观组织和试样力学性能测试中可知，实施例8～实施例14采用送粉工艺进行增材制造，获得的ti-al-v-ta双相钛合金成品成型性好，室温抗拉强度为1210～1320mpa，室温屈服强度为1150～1295mpa，室温断后伸长率为17～25％，具有良好的强度和塑性。
[0089]
从测试例1和测试例2相比较，ti-al-v-ta双相钛合金通过送粉工艺进行增材制造的力学性能更优ti-al-v-ta双相钛合金通过送丝工艺进行增材制造的力学性能，ti-al-v-ta双相钛合金通过送粉工艺进行增材制造的塑性更强。
[0090]
综上所述，本发明ti-al-v-ta双相钛合金的各组分质量百分含量得到改进，适用于增材制造，成品成型性好，具有良好的强度和塑性，增材制造的成品的室温抗拉强度为
1200～1320mpa，室温屈服强度为1130～1295mpa，室温断后伸长率为17～25％，解决了普通钛合金的增材体的性能低的问题。
[0091]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。