一种增材制造用高强塑积Ti-b-Zr-Cr-Fe亚稳β钛合金及其制备方法
一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳
β
钛合金及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金及其制备方法，属于增材制造亚稳钛合金技术领域。
背景技术：
2.钛合金属于难加工金属，对于形状结构复杂或者单件的钛合金构件，目前已经大量采用增材制造成形。钛合金激光增材制造组织为非平衡凝固铸态组织，往往存在气孔、夹杂，冷却过程中溶质再分配现象会引起成分偏析，并且由于复杂的温度及应力应变循环，材料组织及性能的均匀性较差。对于传统钛合金，其塑性较低，力学行为对缺陷较为敏感，因此，增材制造构件的力学性能往往难以满足使用需求，该问题成为影响钛合金增材制造进一步广泛应用的瓶颈问题之一。
3.已有研究发现，亚稳β钛合金具有良好的塑性，该类合金的力学行为对小尺寸的缺陷不敏感，因此，如能采用增材制造技术实现亚稳β钛合金构件的增材制造，则有望消除增材制造引入缺陷对构件的负面效应。
4.尽管亚稳β钛合金已有较多研究，如专利申请号为2021105494652，名称为“一种增强增韧亚稳β钛合金及其制备方法”，公开了该增强增韧亚稳β钛合金各元素成分为：al：3.7%~5.0%，mo：4.7%~6.0%，v：4.5%~5.5%，cr：4.5%~6.0%，nb：0.5%~2.0%，o：0.05%~0.15%，余量为ti和不可避免的杂质，杂质元素总量不超过0.15%，以上组分重量百分比之和为100%。通过三次真空自耗熔炼、锻造、固溶时效热处理制备。但是并没有对亚稳β钛合金增材进行研究。
5.目前采用增材制造方法制备亚稳β钛合金的研究仍然很不充分，仅有少量工作被报道。目前已报道文献中，增材制造专用亚稳β钛合金的设计、制备工艺、后处理工艺等均未见系统讨论。因此，开发适用于增材制造的专用亚稳β钛合金，探索其工艺参数及后处理方法，具有重要意义。
技术实现要素：
6.针对现有钛合金增材制造工艺性能较差的现状，本发明提供一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金及其制备方法。该亚稳β钛合金具有良好的成形性，制备获得的块体材料无气孔、偏析等缺陷，同时具有较高的强度和突出的塑性，延伸率≥30%。
7.本发明通过以下技术方案实现。
8.一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：nb：22~29%；zr：3~10%；cr：1~8%；fe：0.1%~5%；ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%。
9.所述该亚稳β钛合金主要微观结构为体心立方等轴β晶粒。
10.一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制备方法，其具体
步骤包括：步骤1、将ti、nb、zr、cr和fe分别制备得到对应的金属圆柱颗粒；步骤2、将步骤1制备得到的金属圆柱颗粒混合均匀，在真空熔炼炉中熔化得到熔融金属液；步骤3、以氩气作为雾化介质，将步骤2得到的熔融金属液喷吹到雾化室中，在4~8mpa的压力下雾化5~15分钟，冷却凝固后得到金属粉末，过筛，得到粒度为100~200μm的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末。
11.所述步骤1中金属圆柱颗粒直径为3-10mm。
12.所述步骤2中真空熔炼炉熔化温度为2500~2600℃，真空度为0.6
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mpa。
13.一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制造增材的方法：将增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末放入送粉设备中，采用同轴送粉方式激光增材制造，对上述粉末进行成型加工，主要工艺为：激光功率2400w，扫描速率600mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径2.8mm，搭接率50%，整个沉积过程在氩气仓内进行。
14.上述亚稳β钛合金塑性变形机制为应变孪生。
15.本发明增材制造用亚稳β钛合金中所包含的元素粉末作用如下：铌（nb）：β稳定元素，稳定β相，降低β转变温度，使β相可以保留至室温。
16.锆（zr）：中性元素，抑制增材制造过程中ω相的析出。
17.铬（cr）：β稳定元素，稳定β相，其稳定β相的能力大于nb元素，具有较强的固溶强化作用。
18.铁（fe）：具有两方面作用，一方面，β稳定元素；另一方面起到固溶强化的作用，可大幅提高合金强度，是最终合金获得高强度的关键原因。
19.本发明的有益效果是：1）本发明的合金具有优秀的塑性。通过对合金成分的设计和相关元素粉末的控制，调控了合金β稳定性，在变形过程中引入了应变孪生效应，提高了合金对成型过程中可能产生缺陷的容忍度，使合金获得优秀塑性，提高其损伤容限，有效避免了增材制造缺陷对钛合金增材制造件应用的负面影响。
20.2）本发明的合金具有良好的强度。通过恰当的元素设计，在保证合金塑性的前提下，显著提高了合金的强度。合金同时具有良好的强度和塑性，具有良好的应用前景。
21.3）本发明的合金具有良好的增材制造工艺性能。所涉及合金的凝固温度区间窄，增材制造过程过程中，熔池流动性良好，无宏观气孔、未熔及偏析等缺陷存在，无需再进行等静压等复杂的后处理。
附图说明
22.图1实施例1制备得到的ti-nb-zr-cr-fe增材试样宏观形貌实物图；图2实施例1制备得到的ti-nb-zr-cr-fe板状拉伸试样尺寸；图3实施例1制备得到的ti-nb-zr-cr-fe应力-应变曲线；图4实施例1制备得到的ti-nb-zr-cr-fe试样微观组织光学显微镜图；图5实施例1制备得到的ti-nb-zr-cr-fe试样拉伸变形后的扫描电镜图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
24.实施例1该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：nb：27%；zr：5%；cr：5%；fe：2%；ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%；其中该亚稳β钛合金主要微观结构为体心立方等轴β晶粒。
25.该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的增材制备方法，其具体步骤包括：步骤1、按总重14kg分别称取ti8.54kg、nb3.78kg、zr0.7kg、cr0.7kg和fe0.28kg，分别制备得到对应的直径均为3mm的金属圆柱颗粒；步骤2、将步骤1制备得到的金属圆柱颗粒混合均匀，在真空熔炼炉中熔化得到熔融金属液；真空熔炼炉中熔化温度为2500~2600℃，真空度为0.6
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mpa；步骤3、在雾化室内充入99.99%高纯氩气，以氩气作为雾化介质，将步骤2得到的熔融金属液通过石墨喷嘴喷吹到雾化室中，在4mpa的压力下雾化5~10分钟，冷却凝固后得到金属粉末，过筛，得到粒度为100~200μm的增材制造用高强塑积ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金的粉末；步骤4、将步骤3制备得到的增材制造用高强塑积ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金的粉末放入送粉设备中，采用同轴送粉方式激光增材制造，对上述粉末进行成型加工，主要工艺为：激光功率2400w，扫描速率600mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径2.8mm，搭接率50%，整个沉积过程在氩气仓内进行。
26.本实施例制备得到的增材制造用高强塑积ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金增材制造块体试样宏观形貌实物图如图1所示。
27.对本实施例制备得到的ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金增材制造块进行性能测试与组织表征：1.室温拉伸实验：使用线切割设备从上述制备得到的沉积态块体试样中切割3块狗骨头形板状拉伸试样，其尺寸如图2所示，试验在gnt1000y万能材料试验机上进行，拉伸速率为0.1mm/min。不同工艺状态试样拉伸性能曲线如图3所示。从图3中可以看出，合金屈服强度592mpa，抗拉强度712mpa，断裂延伸率35%，屈强比0.83，合金颈缩后仍然具有良好的应变硬化能力。
28.2.显微组织分析从上述制备得到的ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金增材制造块和拉伸变形后的拉伸试样中切下金相试样，经过sic砂纸研磨、1um金刚石抛光液粗抛和0.05μm sio2+浓度5%h2o2精抛后，用5%hf+10%hno3+85%h2o试剂腐蚀5s，在光学显微镜（icx41m，soptop，china）和扫描电镜（supra55，zeiss，german）下观察试样微观组织形貌。沉积态试样微观形貌如图4所示，从图4中可以看出合金整体为等轴晶组织特征，未发现偏析组织。拉伸变形后试样微观形貌如图5所示，从图5中可以看出，拉伸变形后试样中产生大量孪晶，这表明拉伸变形过程中发生应变诱导孪生，其伴随的应变诱导孪生塑性，因此本发明再一次验证本发明制备得到的ti-27nb-5zr-5cr-2fe亚稳β钛合金增材制造块具有优良塑性。
29.实施例2
该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：nb：22%；zr：3%；cr：1%；fe：0.1%；ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%；其中该亚稳β钛合金主要微观结构为体心立方等轴β晶粒。
30.该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的增材制备方法，其具体步骤包括：步骤1、按总重10kg分别称取ti7.39kg、nb2.2kg、zr0.3kg、cr0.1kg和fe0.01kg，分别制备得到对应的直径均为10mm的金属圆柱颗粒；步骤2、将步骤1制备得到的金属圆柱颗粒混合均匀，在真空熔炼炉中熔化得到熔融金属液；真空熔炼炉中熔化温度为2500~2600℃，真空度为0.6
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mpa；步骤3、在雾化室内充入99.99%高纯氩气，以氩气作为雾化介质，将步骤2得到的熔融金属液通过石墨喷嘴喷吹到雾化室中，在8mpa的压力下雾化10~12分钟，冷却凝固后得到金属粉末，过筛，得到粒度为100~200μm的增材制造用高强塑积ti-22nb-3zr-1cr-0.1fe亚稳β钛合金的粉末；步骤4、将步骤3制备得到的增材制造用高强塑积ti-22nb-3zr-1cr-0.1fe亚稳β钛合金的粉末放入送粉设备中，采用同轴送粉方式激光增材制造，对上述粉末进行成型加工，主要工艺为：激光功率2400w，扫描速率600mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径2.8mm，搭接率50%，整个沉积过程在氩气仓内进行。
31.实施例3该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：nb：29%；zr：10%；cr：8%；fe：5%；ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%；其中该亚稳β钛合金主要微观结构为体心立方等轴β晶粒。
32.该增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的增材制备方法，其具体步骤包括：步骤1、按总重10kg分别称取ti4.8kg、nb2.9kg、zr1kg、cr0.8kg和fe0.5kg，分别制备得到对应的直径均为6mm的金属圆柱颗粒；步骤2、将步骤1制备得到的金属圆柱颗粒混合均匀，在真空熔炼炉中熔化得到熔融金属液；真空熔炼炉中熔化温度为2500~2600℃，真空度为0.6
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mpa；步骤3、在雾化室内充入99.99%高纯氩气，以氩气作为雾化介质，将步骤2得到的熔融金属液通过石墨喷嘴喷吹到雾化室中，在6mpa的压力下雾化12~15分钟，冷却凝固后得到金属粉末，过筛，得到粒度为100~200μm的增材制造用高强塑积ti-29nb-10zr-8cr-5fe亚稳β钛合金的粉末；步骤4、将步骤3制备得到的增材制造用高强塑积ti-29nb-10zr-8cr-5fe亚稳β钛合金的粉末亚稳β钛合金的粉末放入送粉设备中，采用同轴送粉方式激光增材制造，对上述粉末进行成型加工，主要工艺为：激光功率2400w，扫描速率600mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径2.8mm，搭接率50%，整个沉积过程在氩气仓内进行。
33.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
技术特征：
1.一种增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，其特征在于：该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：nb：22~29%；zr：3~10%；cr：1~8%；fe：0.1%~5%；ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%。2.根据权利要求1所述的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金，其特征在于：所述该亚稳β钛合金主要微观结构为体心立方等轴β晶粒。3.一种根据权利要求1所述的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制备方法，其特征在于具体步骤包括：步骤1、将ti、nb、zr、cr和fe分别制备得到对应的金属圆柱颗粒；步骤2、将步骤1制备得到的金属圆柱颗粒混合均匀，在真空熔炼炉中熔化得到熔融金属液；步骤3、以氩气作为雾化介质，将步骤2得到的熔融金属液喷吹到雾化室中，在4~8mpa的压力下雾化5~15分钟，冷却凝固后得到金属粉末，过筛，得到粒度为100~200μm的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末。4.根据权利要求3所述的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制备方法，其特征在于：所述步骤1中金属圆柱颗粒直径为3-10mm。5.根据权利要求3所述的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制备方法，其特征在于：所述步骤2中真空熔炼炉熔化温度为2500~2600℃，真空度为0.6
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mpa。6.一种根据权利要求3所述的增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末制备方法制备得到的粉末制造增材的方法，其特征在于：将增材制造用高强塑积ti-nb-zr-cr-fe亚稳β钛合金的粉末放入送粉设备中，采用同轴送粉方式激光增材制造，对上述粉末进行成型加工，主要工艺为：激光功率2400w，扫描速率600mm/min，送粉速率10g/min，光斑直径2.8mm，搭接率50%，整个沉积过程在氩气仓内进行。
技术总结
本发明涉及一种增材制造用高强塑积Ti-b-Zr-Cr-Fe亚稳β钛合金及其制备方法，属于增材制造亚稳钛合金技术领域。该增材制造用高强塑积Ti-b-Zr-Cr-Fe亚稳β钛合金，该亚稳β钛合金包括以下质量百分比组分：b：22~29%；Zr：3~10%；Cr：1~8%；Fe：0.1%~5%；Ti：余量；以上组分质量百分比之和为100%。本发明的合金具有优秀的塑性。通过对合金成分的设计和相关元素粉末的控制，调控了合金β稳定性，在变形过程中引入了应变孪生效应，提高了合金对成型过程中可能产生缺陷的容忍度，使合金获得优秀塑性，提高其损伤容限，有效避免了增材制造缺陷对钛合金增材制造件应用的负面影响。对钛合金增材制造件应用的负面影响。对钛合金增材制造件应用的负面影响。
