專利名稱：一種920MPa強(qiáng)度級(jí)的電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鈦基合金的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種專用于制作920MPa強(qiáng)度級(jí)別電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件的鈦合金絲材。
背景技術(shù)：
為減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，采用高比強(qiáng)度的鈦合金材料是一種非常理想的選擇。飛機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)承受較大載荷，對(duì)材料性能尤其是強(qiáng)度要求較高。傳統(tǒng)大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)有鍛造和鑄造兩種典型制備方法，相對(duì)于鑄件，鍛造零部件(鍛件)綜合力學(xué)性能尤其是強(qiáng)度和塑性具有明顯優(yōu)勢(shì)，但存在熱加工周期長(zhǎng)、材料利用率(只有39Γ5%)極低、成本高以及毛坯尺寸大時(shí)性能均勻性難以保證的問題；鑄件的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率比鍛件高， 但存在強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能明顯偏低、鑄造缺陷和因構(gòu)件尺寸效應(yīng)帶來(lái)的顯微組織及力學(xué)性能的均勻性控制難題，導(dǎo)致多數(shù)關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)不能采用鑄造工藝，應(yīng)用范圍受到很大限制。鍛造和鑄造兩種制備方法均需要工裝模具，對(duì)設(shè)備、場(chǎng)地要求嚴(yán)格，延長(zhǎng)了供貨周期、提聞了成本。電子束熔絲堆積快速成形是上世紀(jì)90年代以后興起的一項(xiàng)新技術(shù)，可從三維CAD模型直接制造零件，無(wú)須模具，制件機(jī)械加工量小，成形速度和質(zhì)量都比較高，可以大大加快設(shè)計(jì)——驗(yàn)證迭代循環(huán)，實(shí)現(xiàn)敏捷制造，優(yōu)勢(shì)明顯。電子束熔絲堆積快速成形技術(shù)采用微滴組裝的辦法，對(duì)零件尺寸不敏感，大尺寸零件也能得到較好的性能一致性，因此也是直接制造超大型鈦合金結(jié)構(gòu)的理想解決方案。然而，由于采用了與傳統(tǒng)制備方法完全不同的工藝，電子束熔絲堆積快速成形鈦合金材料的顯微組織與鍛造顯微組織完全不同，是一種近平衡態(tài)快速凝固組織。因?yàn)椴牧系男阅苋Q于合金成分、熱加工及熱處理工藝，由于α+β型鈦合金熱處理強(qiáng)化效果不明顯，因此在電子束熔絲堆積工藝條件下，要獲得較高的強(qiáng)度和可接受的塑性和韌性，必須對(duì)現(xiàn)有材料的合金成分及合金體系進(jìn)行創(chuàng)造性調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究一種適合于電子束熔絲堆積快速成形技術(shù)的鈦合金絲材，采用這種鈦合金絲材，可以使電子束熔絲堆積快速成形材料/構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到920MPa以上，延伸率不低于6%，從而滿足該強(qiáng)度級(jí)別結(jié)構(gòu)件的性能需要。鈦合金的強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化等多種強(qiáng)化手段，但對(duì)于熔絲快速成形工藝，由于沒有熱機(jī)械加工過程，因此位錯(cuò)密度較低，位錯(cuò)強(qiáng)化效果也不會(huì)太明顯；同樣由于熔絲快速成形工藝特點(diǎn)，晶粒比較粗大，采用析出相如％相、硼化物等彌散強(qiáng)化，會(huì)造成材料變形過程中的應(yīng)力和應(yīng)變集中，導(dǎo)致塑性明顯降低，因此從電子束快速成形材料強(qiáng)韌性匹配角度，應(yīng)該優(yōu)先選擇固溶強(qiáng)化方案。從原子占位角度，鈦合金中的合金化元素可分為置換元素和間隙元素兩類；根據(jù)對(duì)鈦合金相變點(diǎn)的影響，可以分為α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素。本發(fā)明研究者經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，雖然鈦合金中的某些元素如Al對(duì)材料的強(qiáng)化效果很明顯，但由于這些元素與Ti的原子結(jié)合能為負(fù)且絕對(duì)值較大，具有較強(qiáng)的有序化傾向，加入量超過一定限度會(huì)導(dǎo)致材料塑性和韌性明顯降低，因此，從強(qiáng)韌化匹配角度考慮，盡量避免了采用單一元素強(qiáng)化。本發(fā)明提供了一種920MPa強(qiáng)度級(jí)的電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α +β型鈦合金絲材，其特征在于采用合金元素Al和間隙元素O強(qiáng)化α相，采用合金元素V和間隙元素Fe強(qiáng)化β相，所說的絲材的成分及重量百分比為Al :6. 2% 7. 5% ；V :4. 0% 5. 5% ；Fe :0. 10% O. 50% ；0 :0. 12% O. 25%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明為實(shí)施920MPa強(qiáng)度級(jí)的電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用絲材，提供了一整套包括α+β型鈦合金絲材用鑄錠的冶煉工藝、熱加工工藝和成形制件的熱處理工藝，其中冶煉工藝由下述步驟組成( I)采用O 2級(jí)海綿鈦?zhàn)髟希?2)合金元素Al以Al-V中間合金形式加入；A1不足部分由純Al補(bǔ)充；(3)合金元素Fe以純鐵粉或Al-V-Fe中間合金形式加入；(4)合金元素O以TiO2加入；(5)中間合金與海綿鈦經(jīng)配料混合后用壓機(jī)壓制成電極；(6)將若干支電極組焊在一起，用真空自耗電極電弧爐中熔煉2 3次，制成合金錠。本發(fā)明的鈦合金絲材其熱加工工藝則由下述步驟組成(I)對(duì)鑄錠進(jìn)行預(yù)處理，切除帽口、剔除表面缺陷；(2)在1000°C 1200°C下對(duì)鑄錠進(jìn)行開坯；(3)在1000°C 1100°C用水壓機(jī)或鍛錘拔長(zhǎng)；(4)在920°C 1000°C下將棒材軋長(zhǎng)或精鍛(5)在920°C 980°C將棒材軋制成Φ8 Φ 16mm規(guī)格；(6)表面修磨以去除表面氧化皮和微裂紋等缺陷；(7)在550°C 800°C下拉絲或室溫 500°C旋鍛；(8)表面處理，如機(jī)械扒皮、紗布袋拋光、酸洗加拋光等。而本發(fā)明鈦合金絲材電子束熔絲快速成形制件的熱處理工藝，則由下述步驟組成固熔處理α + β / β相變點(diǎn)下5°C 45°C固熔處理I 5h，根據(jù)構(gòu)件的厚度采用油淬或風(fēng)冷或空冷；時(shí)效處理500°C 600°C，空冷。目前市場(chǎng)上有兩種與本發(fā)明合金成分相類似的兩種鈦合金絲材，材料牌號(hào)分別為TC4和TC4ELI，見GB/T3623-2007。這兩種絲材的用途分兩類，一類為結(jié)構(gòu)絲材，主要用作結(jié)構(gòu)件和緊固件；另一類為焊絲，主要用作電極材料和焊接材料的焊絲，成分見表1，目前沒有專門針對(duì)電子束快速成形技術(shù)的鈦合金絲材。為方便比較，將本發(fā)明絲材成分列于表2。
表1GB/T 3623-2007中兩種焊絲成分 (wt%)
權(quán)利要求
1.一種920MPa強(qiáng)度級(jí)的電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材，其特征在于采用合金元素Al和間隙元素O強(qiáng)化α相，采用合金元素V和Fe強(qiáng)化β相，所說的絲材的成分及其重量百分比為Al :6. 2% 7. 5% ；V 4. 0% 5. 5% ；Fe :0. 10% O. 50% ；0 O.12% O. 25%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。
2.一種為實(shí)施權(quán)利要求I所述的920MPa強(qiáng)度級(jí)電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材用鑄錠的冶煉工藝，其特征在于它由下述步驟組成 (1)采用O 2級(jí)海綿鈦?zhàn)髟希? (2)合金元素Al以Al-V中間合金形式加入；A1不足部分由純Al補(bǔ)充； (3)合金元素Fe以純鐵粉或Al-V-Fe中間合金形式加入； (4)合金元素O以TiO2加入； (5)中間合金與海綿鈦經(jīng)配料混合后用壓機(jī)壓制成電極； (6)將若干支電極組焊在一起，用真空自耗電極電弧爐中熔煉2 3次，制成合金錠。
3.一種為實(shí)施權(quán)利要求I所述的920MPa強(qiáng)度級(jí)電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材的熱加工工藝，其特征在于它由下述步驟組成 (1)對(duì)鑄錠進(jìn)行預(yù)處理，切除帽口、剔除表面缺陷； (2)在1000°C 1200°C下對(duì)鑄錠進(jìn)行開坯； (3)在950°C 1100°C用水壓機(jī)或鍛錘拔長(zhǎng)； (4)在920°C 1000°C下將棒材軋長(zhǎng)或精鍛 (5)在920°C 980°C將棒材軋制成Φ8 Φ16mm規(guī)格； (6)表面修磨以去除表面氧化皮和微裂紋等缺陷； (7)在550°C 800°C下拉絲或室溫 500°C旋鍛； (8)表面機(jī)械扒皮或/和酸堿洗處理。
4.一種為實(shí)施權(quán)利要求I所述的920MPa強(qiáng)度級(jí)電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材電子束快速成形制件的熱處理工藝，其特征在于它由下述步驟組成 (1)固熔處理α+ β /β相變點(diǎn)下5°C 45°C固熔處理I 5h，根據(jù)零件的厚度采用油淬或風(fēng)冷或空冷； (2)時(shí)效處理500°C 600°C，空冷。
全文摘要
一種920MPa強(qiáng)度級(jí)的電子束熔絲堆積快速成形構(gòu)件用α+β型鈦合金絲材，其特征在于采用合金元素Al和間隙元素O強(qiáng)化α相，采用合金元素V和Fe強(qiáng)化β相，所說的絲材的成分及其重量百分比為Al6.2%～7.5%；V4.0%～5.5%；Fe0.10%～0.50%；O0.12%～0.25%，余量為Ti和不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還提供了相應(yīng)的熔煉、熱加工和其電子束快速成形構(gòu)件的熱處理工藝。采用本發(fā)明的絲材不僅可以滿足電子束熔絲堆積快速成形工藝的要求，還使鈦合金構(gòu)件具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能。本發(fā)明的推廣應(yīng)用，必將創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B21C1/00GK102888532SQ20121024312
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者王清江, 鞏水利, 楊銳, 劉建榮, 鎖紅波, 朱紹祥, 陳哲源, 陳志勇, 王磊, 楊洋, 李晉煒, 楊光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所, 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所