本发明属于金属粉末材料技术领域，涉及一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末及其制备方法。
背景技术：
激光熔化沉积技术，以合金粉末为原材料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，由零件三维cad模型直接驱动，一步实现大型复杂结构近净成形制造，是一种先进的激光快速成形技术，在航空航天大型钛合金主承力结构的快速高性能整体制造及损伤钛合金铸/锻件的修复再生方面具有突出优势。该技术制备沉积态钛合金呈典型“高强低塑”特征，零件成形后必须通过热处理调控组织性能，方可将塑性及综合力学性能调控至锻件水平。
然而，为保证组织性能一致性，大型结构件必须在不进行组织性能调控的前提下长时间沉积成形，热应力累积极为严重，现有沉积态钛合金塑性储备又极低，这诸多不利因素极易引起产品成形过程中出现严重开裂失效，导致产品报废。另一方面，待修复现有钛合金铸/锻件大多已加工、加工到位或投入使用，修复后热处理工艺的选择性受到极大限制，甚至不允许或无法进行任何热处理，修复区与损伤零件基体区性能差异显著，严重影响修复零件的整体使用性能。
因此，研制一种用于激光快速成形及修复的钛合金粉末，使其激光沉积态塑性及力学性能达到锻件水平，对于解决上述难题意义重大。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末，消除了现有钛合金大型结构连续长时间激光熔化沉积成形过程中存在的严重开裂问题，克服了现有钛合金激光熔化沉积状态与铸/锻件状态塑性与综合力学性能不匹配的不足。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末，按质量百分比包括如下组分：
al5.0～6.2wt％；
si0.25～0.40wt％；
zr0.8～2.0wt％；
mo3.5～4.5wt％；
o0.03～0.08wt％；
c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％、其余为ti基体，以上组分质量百分比之和为100％。
优选的，所述的al组分的质量百分比5.0～5.4wt％，si组分的质量百分比0.36～0.40wt％，mo组分的质量百分比3.5～4.0wt％，o组分的质量百分比0.06～0.08wt％。
优选的，所述的al组分的质量百分比5.5～6.0wt％，si组分的质量百分比0.25～0.35wt％，mo组分的质量百分比4.1～4.5wt％，o组分的质量百分比0.03～0.05wt％。
一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末制备方法，通过下述方式实现：
o组分的质量百分比0.03～0.07wt％，其余组分按照权利要求1或2所述的比例进行合金配比，制备母合金棒坯，进而制备电极棒；
将上述制备的电极棒置于氩气或氦气惰性气体密闭反应室并旋转，加热熔化电极棒端部，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出并冷却，得到球形粉末；
将上述得到的球形粉末进行真空烘干并筛分，得到最终的钛合金粉末。
优选的，所述的惰性气体的纯度不小于99.999％。
优选的，电极棒在反应室中的旋转速度在18000-24000r/min，加热熔化电极棒端部时的加热功率为100-300kw。
优选的，制备的电极棒的直线度偏差控制在0.05mm/m以内。
优选的，所述的烘干为在150-180℃温度范围内烘干不少于3h。
优选的，得到的钛合金粉末在真空中或纯度不小于99.999％高纯氩气保护环境下密封保存。
上述方法制备得到的钛合金粉末粒度范围为60-185μm。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于激光成形及修复的高强高塑钛合金粉末，通过设计al组分质量百分比为5.0～6.2wt％，si组分质量百分比为0.25-0.40％、mo组分质量百分比为3.5-4.5％，o组分质量百分比为0.03～0.08wt％，并控制次要元素组分含量，提高了激光熔化沉积态钛合金的塑性储备，其沉积态塑性及综合力学性能与相近牌号锻件状态几乎一致，消除了大型钛合金结构件连续长时间激光熔化沉积成形过程中极易出现的严重开裂失效问题，损伤零件修复后几乎无需进行任何后续热处理，即可实现修复区与基体区性能均匀一致。
(2)本发明提供的一种用于激光成形及修复的高强高塑钛合金粉末制备方法，耦合设计电极棒直线度控制在0.05mm/m以内、加热功率为100-300kw、转速为18000-24000r/min、惰性气体的纯度不小于99.999％，提高离心力作用的均匀一致性，控制过热度、降低黏度，增加熔融金属液体的流动性，显著提高了粉末的球形度、表面光洁度及粉末微观成分与组织的均匀一致性，最大限度降低了空心粉比例。
(3)本发明提供的一种用于激光成形及修复的高强高塑钛合金粉末制备方法，所制备钛合金粉末粒度范围为60-185μm，收粉率极高，具备极优的激光熔化沉积工艺匹配性，既能避免成形过程中被吹散影响沉积高度和沉积效率，又能避免过大粒径导致出现未熔透等缺陷。
(4)本发明提供的一种用于激光成形及修复的高强高塑钛合金粉末制备方法，在150-180℃温度范围内保温不少于2h真空烘干，既能彻底消除粉末表面粘附水汽，保证制备钛合金粉末o组分的质量百分比稳定，又能避免粉末表面光滑度恶化影响流动性。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末，按质量百分比由以下组分组成：al5.0～6.2wt％、si0.25～0.40wt％、zr0.8～2.0wt％、mo3.5～4.5wt％、o0.03～0.08wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％、其余为ti基体，以上组分质量百分比之和为100％。该钛合金粉末能够提高激光熔化沉积态钛合金的塑性储备，保证其沉积态塑性及综合力学性能与相近牌号锻件状态几乎一致，消除大型钛合金结构件连续长时间激光熔化沉积成形过程中极易出现的严重开裂失效问题，且损伤零件修复后几乎无需进行任何后续热处理，即可实现修复区与基体区性能均匀一致。
本发明实施例提供了一种用于激光快速成形及修复的高强高塑钛合金粉末的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)母合金棒坯熔炼
按主要元素组分：al5.0～6.2wt％、si0.25～0.40wt％、zr0.8～2.0wt％、mo3.5～4.5wt％、其余为ti基体，次要元素组分：o0.03～0.07wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％，进行合金配比，制备母合金棒坯；
(2)电极棒制备
将所述母合金棒坯制备成电极棒，要求电极棒直线度偏差控制在0.05mm/m以内，以提高粉末球形度及粒度分布集中性。
(3)粉末制备
将上述制备的电极棒置于氩气或氦气惰性气体密闭反应室并旋转，加热熔化电极棒端部，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出并冷却，得到球形粉末；
将上述得到的球形粉末进行真空烘干并筛分，得到最终的钛合金粉末。
将所述电极棒置于氩气或氦气惰性气体密闭反应室并旋转，同时采用等离子枪加热熔化电极棒端部，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出，形成细小液滴，液滴在保护气体中快冷后形成球形粉末，落入雾化室收集容器内。
在一可选实施例中，步骤(3)所述的惰性气体的纯度不小于99.999％，以降低粉末制备过程中的氧含量增量，保证制备钛合金粉末o组分的质量百分比满足0.03～0.08wt％。
在一可选实施例中，步骤(3)所述的电极棒在反应室中的旋转速度为18000-24000r/min，加热熔化电极棒端部时的加热功率为100-300kw，以提高粉末成分球形度、表面光洁度及成分组织均匀性，避免微观成分及组织偏析，保证极低的空心粉率，提高60-185μm粒度范围内粉末收粉率。
(4)粉末烘干、筛分
将所述制备钛合金粉末进行真空烘干并筛分，得到最终的钛合金粉末。
在一可选实施例中，步骤(4)所述的真空烘干在150-180℃温度范围内保温不少于3h真空烘干，消除粉末表面粘附水汽。
在一可选实施例中，步骤(4)所述的钛合金粉末粒度范围为60-185μm，该粒度粉末既能避免成形过程中被吹散影响沉积高度和沉积效率，又能避免过大粒径导致出现未熔透等缺陷，具备极优的激光熔化沉积工艺匹配性。
在一可选实施例中，步骤(4)所述的钛合金粉末在真空中或纯度不小于99.999％高纯氩气保护环境下密封保存，以保证粉末存储过程中无明显氧增。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
本实施例提供了一种用于激光熔化沉积快速成形的高强高塑钛合金粉末，按质量百分比由以下组分组成：al5.0～5.4wt％、si0.36～0.4wt％、zr1.5～2.0wt％、mo3.5～4.0wt％、o0.06～0.08wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％、其余为ti基体，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法包括：
步骤1：母合金棒坯熔炼
按主要元素组分：al5.0～5.4wt％、si0.36～0.40wt％、zr1.5～2.0wt％、mo3.5～4.0wt％、其余为ti基体，次要元素组分：o0.06～0.07wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％，进行合金配比，制备母合金棒坯；
步骤2：电极棒制备
将所述母合金棒坯制备成电极棒，电极棒直线度偏差为0.04mm/m；
步骤3：粉末制备
将所述制备电极棒置于纯度不小于99.999％高纯氩气或氦气惰性气体密闭反应室并以22000r/min转速高速旋转，同时采用等离子枪加热熔化电极棒端部，加热功率为150kw，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出，形成细小液滴，液滴在保护气体中快冷后形成球形粉末，落入雾化室收集容器内，得到制备的钛合金粉末。
步骤4：粉末烘干、筛分
将所述制备钛合金粉末在160℃下保温3h真空烘干并筛分，得到粒度范围为60-185μm的超低氧纯净球形粉末。将所得粉体材料在真空中或纯度不小于99.999％高纯氩气保护环境下密封保存。
本发明实施例得到的钛合金粉末经激光熔化沉积快速成形后沉积态室温力学性能实测结果为：σb＝1060-1120mpa，σ0.2＝960-1050mpa，δ＝13-18.5％；相近标准牌号tc11钛合金粉末经激光熔化沉积成形后沉积态室温力学性能实测结果为：σb＝1080-1170mpa，σ0.2＝980-1120mpa，δ＝4-8％；相近标准牌号tc11钛合金锻造态室温力学性能实测结果为：σb＝1040-1070mpa，σ0.2＝990-1040mpa，δ＝14-18％。可以看到，该钛合金粉末经激光熔化沉积成形后沉积态塑性及延伸率储备显著提高，沉积态塑性及综合力学性能与相近牌号锻件状态几乎一致，可有效消除沉积态大型钛合金结构件连续长时间激光熔化沉积成形过程中极易出现的严重开裂失效等问题。
实施例2
本实施例提供了一种用于激光熔化沉积快速修复的高强高塑钛合金粉末，按质量百分比由以下组分组成：al5.5～6.0wt％、si0.25～0.35wt％、zr0.8～1.4wt％、mo4.1～4.5wt％、o0.03～0.05wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％、其余为ti基体，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法包括：
步骤1：母合金棒坯熔炼
按主要元素组分：al5.5～6.0wt％、si0.25～0.35wt％、zr0.8～1.4wt％、mo4.1～4.5wt％、其余为ti基体，次要元素组分：o0.03～0.04wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％，进行合金配比，制备母合金棒坯；
步骤2：电极棒制备
将所述母合金棒坯制备成电极棒，电极棒直线度偏差为0.02mm/m；
步骤3：粉末制备
将所述制备电极棒置于纯度不小于99.999％高纯氩气或氦气惰性气体密闭反应室并以24000r/min转速高速旋转，同时采用等离子枪加热熔化电极棒端部，加热功率为250kw，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出，形成细小液滴，液滴在保护气体中快冷后形成球形粉末，落入雾化室收集容器内，得到制备的钛合金粉末。
步骤4：粉末烘干、筛分
将所述制备钛合金粉末在170℃下保温3h真空烘干并筛分，得到粒度范围为60-185μm的超低氧纯净球形粉末。将所得粉体材料在真空中或纯度不小于99.999％高纯氩气保护环境下密封保存。
本发明实施例得到的钛合金粉末经激光熔化沉积快速修复后修复区沉积态室温力学性能实测结果为：σb＝1055-1130mpa，σ0.2＝965-1070mpa，δ＝13-17.5％；对应待修复的标准牌号tc11钛合金热轧态板材基体区室温力学性能实测结果为：σb＝1040-1075mpa，σ0.2＝980-1030mpa，δ＝13.5-18％。可以看到，损伤锻件修复后几乎无需进行任何后续热处理，即可实现修复区与基体区性能均匀一致。
实施例3
本实施例提供了一种用于激光熔化沉积快速成形的高强高塑钛合金粉末，按质量百分比由以下组分组成：al6.1～6.2wt％、si0.25～0.35wt％、zr0.8～1.4wt％、mo4.1～4.5wt％、o0.06～0.08wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％、其余为ti基体，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法包括：
步骤1：母合金棒坯熔炼
按主要元素组分：al6.1～6.2wt％、si0.25～0.35wt％、zr0.8～1.4wt％、mo4.1～4.5wt％、其余为ti基体，次要元素组分：o0.06～0.07wt％、c≤0.005wt％、h≤0.006wt％、n≤0.02wt％、fe≤0.05wt％，进行合金配比，制备母合金棒坯；
步骤2：电极棒制备
将所述母合金棒坯制备成电极棒，电极棒直线度偏差为0.03mm/m；
步骤3：粉末制备
将所述制备电极棒置于纯度不小于99.999％高纯氩气或氦气惰性气体密闭反应室并以24000r/min转速高速旋转，同时采用等离子枪加热熔化电极棒端部，加热功率为200kw，熔融金属雾化后在离心力作用下飞出，形成细小液滴，液滴在保护气体中快冷后形成球形粉末，落入雾化室收集容器内，得到制备的钛合金粉末。
步骤4：粉末烘干、筛分
将所述制备钛合金粉末在160℃下保温3h真空烘干并筛分，得到粒度范围为60-185μm的超低氧纯净球形粉末。将所得粉体材料在真空中或纯度不小于99.999％高纯氩气保护环境下密封保存。
本发明实施例得到的钛合金粉末经激光熔化沉积快速成形后沉积态室温力学性能实测结果为：σb＝1070-1140mpa，σ0.2＝975-1080mpa，δ＝11-16％；相近标准牌号tc11钛合金锻造态室温力学性能实测结果为：σb＝1040-1070mpa，σ0.2＝990-1040mpa，δ＝14-18％。可以看到，该钛合金粉末经激光熔化沉积成形后沉积态塑性及延伸率储备显著提高，沉积态塑性及综合力学性能与相近牌号锻件状态几乎一致，可有效消除沉积态大型钛合金结构件连续长时间激光熔化沉积成形过程中极易出现的严重开裂失效等问题。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。