一种α+β型钛合金增材修复用钛焊丝及其制备方法与流程

本发明属于增材制造领域，涉及一种α+β型钛合金增材修复用钛焊丝及其制备方法。

背景技术：

钛合金具有低模量、良好的比强度，优异的抗疲劳性、生物相容性和耐腐蚀性等特点，在商业和工业中得到广泛的应用，如飞机机身，航空发动机零件，生物医学植入物，汽车部件，船舶构件等。此外，α+β型双相钛合金的市场使用量超过钛合金总用量的50％，而纯钛仅占26％。双相型钛合金用量基数大，其损伤构件的数量也居高不下，对受损伤构件的修复是挽回经济损失的主要途径。而双相型钛合金的数量达到30余种，分别对各个牌号的合金开发对应的修复材料不具经济性。因此，开发一种能实现对多种型号的双相型钛合金进行修复的材料具有广阔的应用前景。

对于α+β型双相钛合金而言，α相的稳定元素有al、ga、ge和o元素等，其中目前最常用的稳定α的元素为al，al在钛中作用同c在钢中的作用一样重，al所起的作用主要是限制β相区，提高β相的转变温度，增加β稳定元素在α相中的溶解度。国内所有牌号的α+β型双相钛合金几乎都几乎都以al元素作为α相稳定元素。β相稳定元素有v、w、mo、fe、cr元素等，其中v为体心立方晶格，可与β钛无限互溶，能够稳定β相，使(α+β)/β相变温度降低。此外，它可以防止共析或包析反应，减小钛合金在一定条件下的脆化，是目前运用最多的β相稳定元素。

目前国内α+β型双相钛合金的牌号以tc开头，这些牌号的钛合金中几乎都含有al元素和v元素。其中，α相稳定元素添加量在8％以下，β稳定元素添加量为2％～10％。为了对多数α+β型双相钛合金实现良好的化学成分匹配以及物相匹配，拟以al元素为α相稳定元素，v元素为β相稳定元素，制备一种适用于多种α+β型双相钛合金修复用的钛合金焊丝，为修复受损的双相钛合金构件提供可靠的材料保障。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种α+β型钛合金增材修复用钛焊丝及其制备方法，该钛焊丝能够适用于α+β型双相钛合金的修复，该制备方法简单。

为达到上述目的，本发明所述的α+β型钛合金增材修复用钛焊丝由al、v、o、杂质及ti构成，其中，该钛焊丝中al的质量百分数为6.8％-7.75％，v的质量百分数为5.7％-6.3％，o的质量百分数小于0.12％，杂质的质量百分数小于0.2％。

本发明所述α+β型钛合金增材修复用钛焊丝的制备方法包括以下步骤：

1)称取al-55v中间合金、铝豆及海绵钛，再将al-55v中间合金、铝豆及海绵钛进行混合，然后压制成若干自耗电极块；

2)在氩气的保护下，将步骤1)得到的各自耗电极块焊成自耗电极；

3)将步骤2)得到的自耗电极进行真空自耗电弧熔炼，得钛合金铸锭，再切除冒口，扒皮；

4)将步骤3)得到的钛合金铸制成钛合金棒料；

5)将步骤4)得到的轧机方棒料进行拉拔，得钛合金线材；

6)将步骤5)得到的钛合金线材进行扒皮模拉拔光亮化处理，得α+β型钛合金增材修复用钛焊丝。

步骤1)中混料的时间为5min-10min；

步骤4)的具体操作过程为：将合金铸锭采用锻机在1050℃-1100℃温度下经2-3火次锻成轧机方棒，然后将轧机方棒采用孔型棒材热连轧机，在940℃-980℃温度下经6-8道次变形轧成钛合金棒料；

步骤5)的具体操作过程为：将钛合金棒料采用转盘热拉丝机在800℃-900℃温度下经8-10道次拉拔成钛合金线材。

该焊丝中含有的α相稳定元素al及β相稳定元素v与待修复α+β型钛合金化学成分及物相匹配。

待修复α+β型钛合金的α相稳定元素当量kα在5～9范围内。

待修复α+β型钛合金的β相稳定元素当量kβ在4～8范围内。

kα＝al(wt.％)+sn(wt.％)/3+zr(wt.％)/6。

kβ＝v(wt.％)+mo(wt.％)+w(wt.％)+fe(wt.％)/2+cr(wt.％)/2。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的α+β型钛合金增材修复用钛焊丝及其制备方法在具体操作时，该焊丝中含有的α相稳定元素al及β相稳定元素v与待修复α+β型钛合金化学成分及物相匹配，使得该钛焊丝能够适用于α+β型双相钛合金的修复，经试验，本发明所述焊丝所修复的修复层与构件结合强度超过构件强度的5％，断裂延伸率达到构件的70％；

附图说明

图1为合金经两次真空自耗熔炼获得的铸锭示意图；

图2为经拉拔获得的钛合金焊丝示意图；

图3为绕轴后的钛合金焊丝示意图；

图4为结合面试样、修复层试样的取样示意图；

图5为tc4合金、结合面、修复层的拉伸曲线对比图；

图6为tc10合金、结合面、修复层的拉伸曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的α+β型钛合金增材修复用钛焊丝由al、v、o、杂质及ti构成，其中，该钛焊丝中al的质量百分数为6.8％-7.75％，v的质量百分数为5.7％-6.3％，o的质量百分数小于0.12％，杂质的质量百分数小于0.2％。

本发明所述α+β型钛合金增材修复用钛焊丝的制备方法包括以下步骤：

1)称取al-55v中间合金、铝豆及海绵钛，再将al-55v中间合金、铝豆及海绵钛进行混合，然后通过500t油压机压制成若干自耗电极块，自耗电极块的尺寸为50×50×300mm；

步骤1)中混料的时间为5min-10min，al-55v中间合金、铝豆及海绵钛的质量比为5-10min。

2)在氩气的保护下，将步骤1)得到的各自耗电极块焊成自耗电极；

3)将步骤2)得到的自耗电极进行两次真空自耗电弧熔炼，得的钛合金铸锭，再切除冒口，扒皮；

4)将步骤3)得到的钛合金铸制成钛合金棒料；

步骤4)的具体过程为：将合金铸锭采用锻机在1050℃-1100℃温度下经2-3火次锻成50×50×lmm的轧机方棒，然后将轧机方棒采用孔型棒材热连轧机，在940℃-980℃温度下经6-8道次变形轧成的钛合金棒料；

5)将步骤4)得到的轧机方棒料进行拉拔，得钛合金线材；

步骤5)的具体过程为：将钛合金棒料采用转盘热拉丝机在800℃-900℃温度下经8-10道次拉拔成的钛合金线材。

6)将步骤5)得到的钛合金线材进行扒皮模拉拔光亮化处理，得的α+β型钛合金增材修复用钛焊丝。

该焊丝中含有的α相稳定元素al及β相稳定元素v与待修复α+β型钛合金化学成分及物相匹配。

增材修复过程中使用的热源为激光、电弧、等离子弧或电子束等。待修复α+β型钛合金的α相稳定元素当量kα在5～9范围内；待修复α+β型钛合金的β相稳定元素当量kβ在4～8范围内，kα＝al(wt.％)+sn(wt.％)/3+zr(wt.％)/6；kβ＝v(wt.％)+mo(wt.％)+w(wt.％)+fe(wt.％)/2+cr(wt.％)/2。

对焊丝取样进行化学成分分析，见表1：

表1钛合金焊丝化学成分(wt.％)

实施例一

本实施例中待修复材料为tc4，通过计算可知，tc4的α相稳定元素当量kα约为6，β相稳定元素当量kβ约为4，在本发明焊丝修复范围内。在厚为10mm的tc4板材上，在氩气保护气氛下以激光为热源进行激光填丝增材修复，修复层的厚度为10mm。其中，激光功率为3000w，扫描速率为0.028m/s，送丝速率为0.064m/s。然后分别对结合面、修复层取拉伸样进行力学性能分析，拉伸样取样示意如图1所示。tc4基材、结合面以及修复层的拉伸曲线如图2所示，tc4基材抗拉强度为1152mpa，断裂拉伸应变为29％。结合面抗拉强度为1140mpa，与tc4基材强度相近；断裂拉伸应变为22％，达到tc4基材的70％以上。修复层抗拉强度为1200mpa，超过tc4基材强度的5％；断裂拉伸应变为21％，达到tc4基材的70％。

实施例二

本实施例中待修复材料为tc10，通过计算可知，tc10的α相稳定元素当量kα约为7，β相稳定元素当量kβ约为6.25，在本发明焊丝修复范围内。在厚为10mm的tc10板材上，在氩气保护气氛下以激光为热源进行激光填丝增材修复，修复层的厚度为10mm。其中，激光功率为3000w，扫描速率为0.028m/s，送丝速率为0.064m/s。然后分别对结合面、修复层取拉伸样进行力学性能分析，拉伸样取样示意如图1所示。tc10基材、结合面以及修复层的拉伸曲线如图3所示，tc10基材抗拉强度为1090mpa，断裂拉伸应变为29％。结合面抗拉强度为1105mpa，与tc10基材强度相近；断裂拉伸应变为21％，达到tc10基材的70％。修复层抗拉强度为1220mpa，超过tc10基材强度的10％；断裂拉伸应变为22％，达到tc10基材的70％以上。