一种高强韧低各向异性钛合金构件及激光增材制造方法与流程

本发明属于金属材料增材制造领域，具体涉及一种高强韧低各向异性钛合金构件及激光增材制造方法。

背景技术：

1、近年来，先进航空航天装备对轻质、结构性能一体化的复杂钛合金构件应用需求日益迫切，但传统制造技术面临制造成本高、制造周期长、制造工序繁杂等问题，已难以满足高性能复杂钛合金构件的短周期低成本制造。激光增材制造技术基于离散堆积思想，将三维cad模型切片分层，利用激光将同步送入粉末逐层熔化沿规划路径堆积成形致密金属构件，可实现高性能复杂钛合金构件的致密近净成形，为解决航空航天高端装备制造难题提供了有效手段。目前，激光增材制造钛合金构件已在航空航天领域得到了应用。但由于激光增材制造过程中极高的温度梯度(约104～105k/s)，使成形钛合金构件宏观组织呈粗大柱状晶粒，其延伸率呈强烈塑性各向异性，即横向试样和纵向试样延伸率有较大差异。此外，激光增材制造钛合金构件微观组织呈细小微米薄片组织，其屈服强度和抗拉强度稍低于锻件试样。

2、针对上述问题，研究人员通过多种手段进行钛合金组织性能调控，并取得了一些重要进展。这些调控方法主要包括：(1)将激光沉积与变形相结合，通过变形破碎柱状晶粒，诱导形成等轴晶粒和晶内双相组织(金属学报,2017,53(9):1065-1074.)；(2)提高送粉量，利用未熔化粉末作为形核质点，增加合金熔池固液界面成分过冷度，形成细小等轴晶粒和细小微米薄片组织(journal of alloys and compounds 632(2015)505-513)；(3)重新设计合金成分，提高合金成形固液界面过程成分过冷度，形成超细等轴晶粒(～10μm)和纳米薄片组织转变(nature 576,91-95(2019).)。此外，张凤英等人通过在低强韧tc4钛合金中添加总量为7.1％～19.2％的合金元素cr、mo、zr，使钛合金的限制生长因子q为13.6～22.79，合金获得全等轴晶粒和细小薄片组织，其屈服强度(rp0.2)不小于1100mpa，抗拉强度(rm)不小于1130mpa，延伸率(el)不小于10.2％，屈强比为0.93～0.98(授权公告号cn114959362b)。随着损伤容限设计理念和轻量化要求的进一步提高，其已难以满足损伤容限大型钛合金构件应用要求。目前，激光增材制造中强韧tc11钛合金逐渐成为航空航天关关键主承力结构件材料。对现有牌号钛合金进行等轴晶粒和晶内组织调控，其过程繁杂且优化设计效果十分有限。因此，针对航空航天领域激光增材制造中强韧tc11钛合金构件性能日益提升的要求，有必要对激光增材成形过程进行相关钛合金成分设计，进一步拓展钛合金构件应用范围。

技术实现思路

1、本技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高强韧低各向异性钛合金构件及激光增材制造方法，该钛合金在传统tc11钛合金成分基础上添加一定含量的高熔点元素zr、cr，降低al元素含量，提高限制生长因子q＝mc0(k-1)(式中m为液相线的斜率，c0为溶质元素含量，k为溶质分配系数)，提高熔池固液界面成分过冷度，促进等轴晶粒形成；在激光增材制造超快熔化/凝固/局部热处理等一系列复杂热循环作用下，zr、cr元素的添加利于细化等轴晶粒，形成更为细小等轴晶粒；通过对激光增材制造成形工艺参数进行调控，使钛合金在获得细小等轴晶粒的同时获得特种双态组织(长条初生α相(αp)和二次α相(αs))，进而获得强塑性较好和塑性各向异性较低的综合力学性能。

2、本技术提供的技术方案包括钛合金成分和激光增材成形工艺参数如下：

3、一种高强韧低各向异性钛合金构件，按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括以下组分al:5.8％～7.0％，si:0.2％～0.35％，mo:2.8％～3.8％，zr和cr的总量为钛合金构件的9.6％～21.4％，余量为ti和其余杂质元素；钛合金构件由增材制造方法制备得到。

4、按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括以下组分：al:6.0％～6.9％，si:0.2％～0.35％，zr:14.5％～17.6％，mo:2.8％～3.8％，cr：2.8％～3.7％，余量为ti和其余杂质元素。

5、上述的zr和cr的总量为钛合金构件的9.6％～21.4％，根据凝固理论计算得到该钛合金限制生长因子q为15.4～26.9。获得的钛合金构件的抗拉强度不小于1150mpa，屈服强度不小于1050mpa，延伸率不小于15％，横向和纵向试样塑性各向异性低于2％。

6、优选的，按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括以下组分：al:6.0％～6.9％，si:0.2％～0.35％，zr:14.5％～17.6％，mo:2.8％～3.8％，cr：2.8％～3.7％，余量为ti和其余杂质元素，根据凝固理论计算得到该钛合金限制生长因子q为22.2～26.8。所述钛合金的rm不低于1160mpa，rp0.2不低于1070mpa，el不小于16.2％，横向和纵向试样塑性各向异性低于1.6％。

7、优选的，按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括以下组分：al:5.8％～6.8％，si:0.2％～0.35％，zr:11.2％～14.4％，mo:2.8％～3.8％，cr：1.8％～2.7％，余量为ti和其余杂质元素，余量为ti和其余杂质元素，根据凝固理论计算得到该钛合金限制生长因子q为18.6～22.0。所述钛合金的rm不低于1165mpa，rp0.2不低于1080mpa，el不小于16.5％，横向和纵向试样塑性各向异性低于1.8％。

8、优选的，按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括以下组分：al:5.9％～6.8％，si:0.2％～0.35％，zr:8.9％～10.9％，mo:2.8％～3.8％，cr：1.0％～1.7％，余量为ti和其余杂质元素，根据凝固理论计算得到该钛合金限制生长因子q为15.5～17.8。所述钛合金的rm不低于1160mpa，rp0.2不低于1070mpa，el不小于15.7％，横向和纵向试样塑性各向异性低于1.2％。

9、一种高强韧低各向异性钛合金构件的激光增材制造方法，包括：

10、s1:根据钛合金构件的组分含量，将各元素粉末制备为65～225μm合金粉末；

11、按质量百分含量为100％计，钛合金构件包括al:5.8％～7.0％，si:0.2％～0.35％，zr：8.8％～17.6％，mo:2.8％～3.8％，cr：0.8％～3.8％，余量为ti和其余杂质元素。

12、s2:采用送粉器将合金粉末送入激光增材制造设备中，以激光为热源，按规划路径逐层沉积，得到钛合金构件；

13、步骤s2的沉积过程中，激光扫描工艺参数为：激光功率3.5kw～4.5kw，光斑直径4mm，扫描速率600mm/min～700mm/min，送粉速率15g/min～35g/min，层厚0.6mm～0.8mm，搭接间距45％～55％。

14、通过对钛合金构件的组分设置，根据增材制造凝固理论，该钛合金q值约为15.4～26.9，经激光增材制造成形，该合金构件rm不低于1160mpa，rp0.2不低于1060mpa，el不小于15％，横向和纵向试样塑性各向异性低于2％。

15、本发明对激光增材制造钛合金采用“成分优化+工艺优化”调控结合的方法，实现了高强韧钛合金激光增材制造。具体地，在中强韧tc11钛合金的成分基础上，添加一定含量的高熔点元素zr、cr，同时降低al元素含量，结合激光增材制造工艺参数进行成形。在激光增材制造成形过程中，只有当熔池固液界面前沿的成分过冷度大于等轴晶粒形成阈值，才能形成等轴晶粒，且成分过冷区越大，凝固q越大，等轴晶粒形核能力越强。本发明中高熔点元素zr、cr的添加，使熔池固液界面前沿tl升高，导致成分过冷区增加，提高了q，从而利于细小等轴晶粒的形成；降低了钛合金al元素含量，使熔池固液界面前沿tc降低，导致成分过冷区增加，提高了q，进一步增加了细小等轴晶粒的形成；同时，采用较高能量密度的激光增材制造方法，使成形过程中冷却速率增加，利于双相组织的形成。在成分优化和激光增材制造成形工艺的共同作用下，增加钛合金柱状晶粒向等轴晶粒转变趋势，同时保证双相组织的形成，实现了高强韧、低塑性各向异性钛合金的制备。

16、本发明中添加的zr元素作为中性元素，主要有以下三种作用：(1)通过形成ti2zrsi3和ti2zrsi等沉淀相产生固溶强化和析出强化，增加形核质点，提升等轴晶粒形核能力；(2)zr元素的添加导致钛合金中位错数量增加，减缓等轴晶粒长大速度，有利于获得细小等轴晶粒；(3)zr元素可在一定程度上增加β相形成能力，增加钛合金晶格畸变，有利于提高钛合金强度。添加的cr元素作为β相稳定元素，可在一定程度上增加等轴晶粒形核能力。al元素的降低，进一步提高了[mo]当量，提升了等轴晶粒形核倾向。通过调控成形工艺参数，使钛合金等轴晶粒内部形成双相组织，使合金变形协调能力提高，进而提升了合金延伸率，从而钛合金构件获得高强高韧和低塑性各向异性。

17、步骤s1中，将各元素粉末烘干后进行机械混合，采用电子束熔炼经热加工制成棒材，然后采用等离子旋转电极雾化法制备得到合金粉末。

18、优选的，步骤s2的沉积过程中，激光扫描工艺参数为：激光功率3.5kw～4.5kw，光斑直径4mm，扫描速率550mm/min～650mm/min，送粉速率10g/min～25g/min，层厚0.7mm～0.9mm，搭接间距50％～59％。该优选的方法结合钛合金构件的成分设置能够获得细小等轴晶粒和双相组织，进而获得高强韧低各向异性的激光增材制造钛合金构件。

19、在激光扫描工艺参数中，当激光功率小于3.5kw时，由于合金zr和cr成分高达9.6％～20.4％，极易获得纳米薄片组织，无法获得双相组织，而当激光功率大于4.5kw时，沉积试样位错密度较低，极易获得微米薄片组织，也无法获得双向组织。

20、所述步骤s2获得的钛合金构件中，等轴晶粒尺寸小于232μm，晶内αp相平均宽度小于3.5μm，体积分数45％～35％，αs相平均宽度小于1.6μm，体积分数小于55％～65％。本发明中钛合金构件具有细小等轴晶粒和晶内双相组织，实现了钛合金变形协同变形，使得钛合金构件力学性能得以提升。

21、综上所述，本技术至少包括以下有益技术效果：

22、1.本发明采用“成分优化+工艺优化”调控相结合的方法，钛合金凝固生长理论，通过在钛合金中添加zr、cr，提高了[mo]当量，同时降低al元素含量，进一步提高了[mo]当量，显著提高了q，显著提高了熔池固液前沿界面的成分过冷度，使钛合金等轴晶形核能力显著提升；结合成形工艺参数调控，使钛合金在获得细小等轴晶粒的同时获得特种双态组织(长条αp相和αs相)，进而获得强塑性较好和塑性各向异性较低的综合力学性能。

23、2.本发明中细小等轴晶粒内含有双相组织，从而使钛合金应变协同能力显著提高，延缓了断裂裂纹扩展能力，提高了钛合金强度和塑性；此外，在横向和纵向载荷作用下，细小等轴晶粒变形趋于一致，两个方向塑性各向异性差异显著降低，且低于2％。

24、3.本发明钛合金构件rm不低于1160mpa，rp0.2不低于1060mpa，el不小于15％，横向和纵向试样塑性各向异性低于2％。