专利名称：一种920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材的制作方法
技术领域：
本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种专用于制作920MPa强度级别电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材。
背景技术：
为减轻飞机结构重量，采用高比强度的钛合金材料是一种非常理想的选择。飞机用大型复杂钛合金结构承受较大载荷，对材料性能尤其是强度要求较高。传统大型复杂钛合金结构有锻造和铸造两种典型制备方法，相对于铸件，锻造零部件(锻件)综合力学性能尤其是强度和塑性具有明显优势，但存在热加工周期长、材料利用率(只有39Γ5%)极低、成本高以及毛坯尺寸大时性能均匀性难以保证的问题；铸件的优点是材料利用率比锻件高， 但存在强度、塑性等力学性能明显偏低、铸造缺陷和因构件尺寸效应带来的显微组织及力学性能的均匀性控制难题，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，应用范围受到很大限制。锻造和铸造两种制备方法均需要工装模具，对设备、场地要求严格，延长了供货周期、提闻了成本。电子束熔丝堆积快速成形是上世纪90年代以后兴起的一项新技术，可从三维CAD模型直接制造零件，无须模具，制件机械加工量小，成形速度和质量都比较高，可以大大加快设计——验证迭代循环，实现敏捷制造，优势明显。电子束熔丝堆积快速成形技术采用微滴组装的办法，对零件尺寸不敏感，大尺寸零件也能得到较好的性能一致性，因此也是直接制造超大型钛合金结构的理想解决方案。然而，由于采用了与传统制备方法完全不同的工艺，电子束熔丝堆积快速成形钛合金材料的显微组织与锻造显微组织完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织。因为材料的性能取决于合金成分、热加工及热处理工艺，由于α+β型钛合金热处理强化效果不明显，因此在电子束熔丝堆积工艺条件下，要获得较高的强度和可接受的塑性和韧性，必须对现有材料的合金成分及合金体系进行创造性调整。
发明内容
本发明的目的是研究一种适合于电子束熔丝堆积快速成形技术的钛合金丝材，采用这种钛合金丝材，可以使电子束熔丝堆积快速成形材料/构件的抗拉强度达到920MPa以上，延伸率不低于6%，从而满足该强度级别结构件的性能需要。钛合金的强化方式有固溶强化、弥散强化、细晶强化和位错强化等多种强化手段，但对于熔丝快速成形工艺，由于没有热机械加工过程，因此位错密度较低，位错强化效果也不会太明显；同样由于熔丝快速成形工艺特点，晶粒比较粗大，采用析出相如％相、硼化物等弥散强化，会造成材料变形过程中的应力和应变集中，导致塑性明显降低，因此从电子束快速成形材料强韧性匹配角度，应该优先选择固溶强化方案。从原子占位角度，钛合金中的合金化元素可分为置换元素和间隙元素两类；根据对钛合金相变点的影响，可以分为α稳定元素和β稳定元素。本发明研究者经过多年的研究发现，虽然钛合金中的某些元素如Al对材料的强化效果很明显，但由于这些元素与Ti的原子结合能为负且绝对值较大，具有较强的有序化倾向，加入量超过一定限度会导致材料塑性和韧性明显降低，因此，从强韧化匹配角度考虑，尽量避免了采用单一元素强化。本发明提供了一种920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α +β型钛合金丝材，其特征在于采用合金元素Al和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和间隙元素Fe强化β相，所说的丝材的成分及重量百分比为Al :6. 2% 7. 5% ；V :4. 0% 5. 5% ；Fe :0. 10% O. 50% ；0 :0. 12% O. 25%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明为实施920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用丝材，提供了一整套包括α+β型钛合金丝材用铸锭的冶炼工艺、热加工工艺和成形制件的热处理工艺，其中冶炼工艺由下述步骤组成( I)采用O 2级海绵钛作原料；(2)合金元素Al以Al-V中间合金形式加入；A1不足部分由纯Al补充；(3)合金元素Fe以纯铁粉或Al-V-Fe中间合金形式加入；(4)合金元素O以TiO2加入；(5)中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极；(6)将若干支电极组焊在一起，用真空自耗电极电弧炉中熔炼2 3次，制成合金锭。本发明的钛合金丝材其热加工工艺则由下述步骤组成(I)对铸锭进行预处理，切除帽口、剔除表面缺陷；(2)在1000°C 1200°C下对铸锭进行开坯；(3)在1000°C 1100°C用水压机或锻锤拔长；(4)在920°C 1000°C下将棒材轧长或精锻(5)在920°C 980°C将棒材轧制成Φ8 Φ 16mm规格；(6)表面修磨以去除表面氧化皮和微裂纹等缺陷；(7)在550°C 800°C下拉丝或室温 500°C旋锻；(8)表面处理，如机械扒皮、纱布袋抛光、酸洗加抛光等。而本发明钛合金丝材电子束熔丝快速成形制件的热处理工艺，则由下述步骤组成固熔处理α + β / β相变点下5°C 45°C固熔处理I 5h，根据构件的厚度采用油淬或风冷或空冷；时效处理500°C 600°C，空冷。目前市场上有两种与本发明合金成分相类似的两种钛合金丝材，材料牌号分别为TC4和TC4ELI，见GB/T3623-2007。这两种丝材的用途分两类，一类为结构丝材，主要用作结构件和紧固件；另一类为焊丝，主要用作电极材料和焊接材料的焊丝，成分见表1，目前没有专门针对电子束快速成形技术的钛合金丝材。为方便比较，将本发明丝材成分列于表2。
表1GB/T 3623-2007中两种焊丝成分 (wt%)
权利要求
1.一种920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于采用合金元素Al和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和Fe强化β相，所说的丝材的成分及其重量百分比为Al :6. 2% 7. 5% ；V 4. 0% 5. 5% ；Fe :0. 10% O. 50% ；0 O.12% O. 25%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
2.一种为实施权利要求I所述的920MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材用铸锭的冶炼工艺，其特征在于它由下述步骤组成 (1)采用O 2级海绵钛作原料； (2)合金元素Al以Al-V中间合金形式加入；A1不足部分由纯Al补充； (3)合金元素Fe以纯铁粉或Al-V-Fe中间合金形式加入； (4)合金元素O以TiO2加入； (5)中间合金与海绵钛经配料混合后用压机压制成电极； (6)将若干支电极组焊在一起，用真空自耗电极电弧炉中熔炼2 3次，制成合金锭。
3.一种为实施权利要求I所述的920MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材的热加工工艺，其特征在于它由下述步骤组成 (1)对铸锭进行预处理，切除帽口、剔除表面缺陷； (2)在1000°C 1200°C下对铸锭进行开坯； (3)在950°C 1100°C用水压机或锻锤拔长； (4)在920°C 1000°C下将棒材轧长或精锻 (5)在920°C 980°C将棒材轧制成Φ8 Φ16mm规格； (6)表面修磨以去除表面氧化皮和微裂纹等缺陷； (7)在550°C 800°C下拉丝或室温 500°C旋锻； (8)表面机械扒皮或/和酸碱洗处理。
4.一种为实施权利要求I所述的920MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材电子束快速成形制件的热处理工艺，其特征在于它由下述步骤组成 (1)固熔处理α+ β /β相变点下5°C 45°C固熔处理I 5h，根据零件的厚度采用油淬或风冷或空冷； (2)时效处理500°C 600°C，空冷。
全文摘要
一种920MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于采用合金元素Al和间隙元素O强化α相，采用合金元素V和Fe强化β相，所说的丝材的成分及其重量百分比为Al6.2%～7.5%；V4.0%～5.5%；Fe0.10%～0.50%；O0.12%～0.25%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。本发明还提供了相应的熔炼、热加工和其电子束快速成形构件的热处理工艺。采用本发明的丝材不仅可以满足电子束熔丝堆积快速成形工艺的要求，还使钛合金构件具有较为优异的力学性能。本发明的推广应用，必将创造巨大的社会效益和经济效益。
文档编号B21C1/00GK102888532SQ20121024312
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者王清江, 巩水利, 杨锐, 刘建荣, 锁红波, 朱绍祥, 陈哲源, 陈志勇, 王磊, 杨洋, 李晋炜, 杨光 申请人:中国科学院金属研究所, 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所