用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料及其制备方法与流程

本发明属于金属粉末材料技术领域，涉及一种用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，本发明还涉及该金属粉末材料的制备方法。

背景技术：

近α型钛合金兼有α型和α+β型钛合金的许多优点，具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定和焊接性能以及较低的工艺塑性。近α型钛合金作为飞机结构的主要用材，用来制造飞机隔框、壁板等工作温度较高、受力较复杂的重要结构零件，但其具有成形温度范围窄、局部容易过热、要求的成形载荷较大等缺点，也给其塑性成形带来了较大困难，同时增加了加工成本，延长了生产周期。这在很大程度上限制了其大规模的应用。

由于金属零件激光成形技术具有无模制造、研制周期短、加工速度快、制造成本低等突出技术特点，这为大型复杂钛合金结构件的低成本、短周期、近净成形制造提供了一条新的技术途径。

在实际应用中发现，近α型钛合金激光成形时易出现裂纹，进而导致零件整体性能下降，废品率极高，成本较高。随着复杂近α型钛合金结构件应用的增长，现有近α型钛合金粉末已无法满足需求，需进一步改进优化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，解决了现有近α钛合金金属粉末无法完全满足零件强度要求的问题。

本发明的另一个目的是提供一种用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，按照质量百分比，由以下组分组成：al3.1％～6.2％、zr1.0％～2.1％、mo0.4％～1.8％、v0.6％～2.3％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明所采用的另一个技术方案是，用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al3.1％～6.2％、zr1.0％～2.1％、mo0.4％～1.8％、v0.6％～2.3％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为10～150μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料。

本发明另一技术方案的特点还在于，

步骤2中，烘干处理过程是在100～130℃下保温2h。

步骤2中，烘干处理在氩气保护环境中进行。

步骤3所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

本发明的有益效果是，

本发明以保持近α钛合金中β稳定元素mo、v含量不变，降低α相稳定元素al、中性元素zr/sn在合金中的比例，以消除近α钛合金金属粉末在增材制造过程中的开裂倾向，消除制件中的裂纹缺陷，获得均匀致密，无冶金缺陷的近α钛合金制件。在现用的几种3d打印设备(eosm280，blts300，blts400，blts500，blts600)中成形，其制件中均无裂纹存在，成形制件致密度达99.8％以上。

附图说明

图1是本发明实施例1中近α钛合金零件的金相图；

图2是本发明实施例2中近α钛合金零件的金相图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，按照质量百分比，由以下组分组成：al3.1％～6.2％、zr1.0％～2.1％、mo0.4％～1.8％、v0.6％～2.3％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al3.1％～6.2％、zr1.0％～2.1％、mo0.4％～1.8％、v0.6％～2.3％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在100～130℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为10～150μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

实施例1

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al3.5％、zr1.2％、mo0.9％、v1.7％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在100℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为15～120μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

在具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成近α钛合金零件。

完成成形后，将制备好的近α钛合金零件进行金相组织观察及致密度检测。金相检测照片如图1所示；致密度检测结果为99.85％，得到了均匀致密的近α钛合金制件。

实施例2

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al4.1％、zr1.7％、mo0.6％、v2.1％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在120℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为15～120μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

在具体应用时，先将上述细小均匀的粉末装入设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成近α钛合金零件。

近α钛合金零件成形后，将制备好的近α钛合金零件进行金相组织观察及致密度检测。金相检测照片如图2所示；致密度检测结果为99.9％，得到了均匀致密的近α钛合金制件。

实施例3

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al3.1％％、zr1.0％％、mo0.4％％、v0.6％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在100℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为50～150μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

实施例4

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al4.5％、zr1.5％、mo1.2％、v0.8％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在110℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为80～100μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

实施例5

用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，材料准备；

具体为，近α钛合金金属粉末材料按照质量百分比，由以下组分组成：al6.2％、zr2.1％、mo1.8％、v2.3％、fe0.2％、sn0.1％、c0.1％、n0.05％、h0.01％、o0.13％，不可避免的杂质0.30％，余量为ti，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1所得材料在增材制造成形前，进行烘干处理；

烘干处理过程是在130℃下保温2h，且烘干处理在氩气保护环境中进行；

步骤3，将步骤2烘干后的材料进行筛分处理，去除较大颗粒与杂质，得粒度为50～150μm的细小均匀粉末，即得用于增材制造的近α钛合金金属粉末材料，将所得到的近α钛合金金属粉末材料在真空中密封保存。

本发明以保持近α钛合金中β稳定元素mo、v含量不变，降低α相稳定元素al、中性元素zr/sn在合金中的比例，以消除近α钛合金金属粉末在增材制造过程中的开裂倾向，消除制件中的裂纹缺陷，获得均匀致密，无冶金缺陷的近α钛合金制件。在现用的几种3d打印设备(eosm280，blts300，blts400，blts500，blts600)中成形，其制件中均无裂纹存在，成形制件致密度达99.8％以上。