一种采用稀土硅化物优化增材制造高温钛合金力学性能的方法

本发明属于合金领域，具体涉及一种采用稀土硅化物优化增材制造高温钛合金力学性能的方法。

背景技术：

1、目前高温钛合金增材制造领域还存在诸多问题亟待解决，(1)550℃以上的高温钛合金元素成分复杂，al当量较高，且包含少量难熔金属元素，因此在激光增材制造过程中开裂趋势较大，尤其是选区激光熔化(slm)过程冷速极大，易导致难扩散元素偏析，材料成形难度大，工艺窗口狭窄；(2)近α高温钛合金经激光热源熔化后迅速冷却得到的显微组织以马氏体α’相为主，在高温服役过程中马氏体不稳定易发生分解，导致随温度升高材料高温瞬时强度和高温抗蠕变性能迅速下降；(3)增材制造高温钛合金由于循环加热和元素难扩散，易导致原始β晶粒形成粗大柱状晶，且后处理退火过程中钛合金的原始β晶粒易发生粗化，导致材料各向异性增加，力学性能弱化。

2、高温钛合金增材制造主要存在的问题可以归结于常用牌号的钛合金成分是针对熔铸、粉末冶金等传统制造方式而开发的，难以适应增材制造冷速快、循环加热的极端冶金环境。然而，针对增材制造工艺去另外开发新牌号钛合金需要漫长的成分筛选过程，研发成本和周期投入均较大。除以上问题外，钛合金粉末成本较高，单次或多次打印后的钛合金粉末由于氧化作用，其贮存和循环再利用困难也是限制行业发展的一大问题。

3、综上所述，现阶段高温钛合金增材制造成形性差，高温性能不稳定，成形钛合金的组织各向异性较强，新合金开发和合金粉末贮存、循环利用的成本较高，亟需发明一种切实可行的新方法，解决以上问题。

4、稀土化合物以成为增材制造领域的研究热点，如cn 112831694 b，发明名称《一种适用于增材制造的稀土铝合金粉末及其制备方法》给出了研究发现，al3ce、al3zr、al3y、al3sc等金属间化合物，具有阻碍位错运动和晶界滑移能力，可提高材料热稳定性和高温强度。其熔点越高、尺寸越细小、成分和结构越复杂，强化效果越好。因此，若能使这些金属间化合物在基体中均匀分布，对提高合金耐热性能十分关键。

5、cn 112658268 b，发明名称《一种用于增材制造的稀土改性tial合金粉末及其制备方法》公开了采用稀土改性tial合金粉末中稀土元素为sc和zr，其中sc质量百分数为0.1～0.4％，zr质量百分数为0.1～0.3％。稀土元素sc是一种铝合金的变质处理剂，具有较高的活性，al元素优先与稀土元素反应形成稀土化合物，使al当量也随之降低，造成形成脆性相的元素减少，脆性相数量得以降低。另一方面，稀土化合物的优先生成，能减小形核壁垒，成为异质形核核心，增加形核率，进一步细化晶粒。此外，形成的稀土相在基体弥散分布，可以阻止晶粒长大，使其保持细小的晶粒组织，从而改善了tial合金的综合力学性能。同时，向含sc的tial合金中再添加一些过渡金属zr，zr元素和sc元素共同成为变质处理剂，zr可以与al和sc形成a13(sc1-xzrx)粒子，该粒子可有效提高合金性能，而且zr元素的添加也可减少sc元素的添加量，从而降低材料成本。

6、cn 113604695 b，发明名称《一种通过添加稀土合金优化增材制造钛合金组织的方法》公开了对于金属增材制造也有报道添加稀土能够起到细化晶粒、抑制裂纹等有益作用。例如申请号为201610033835.6、201610033848.3的发明专利所公开的合金均添加有稀土元素。并给出了包含la、ce、pr、nd、y中稀土金属和非稀土金属(al、ni、fe、mn、co)组合物。通过合理控制稀土添加后形成稀土化合物的尺寸、含量和分布，获得了非均匀异质形核和钉扎界面作用，从而获得组织细小、冶金质量好、致密度高、力学性能更加优异的钛合金产品。

7、上述稀土元素在高温合金增材制造中的应用，均是利用增材制造过程中生成稀土相颗粒改善该种合金材料的成形性。例如，铝合金增材制造难点主要是铝合金粉末吸光率低，容易产生液化裂纹和凝固裂纹，添加稀土不仅提高了粉末吸光率，而且提高熔池流动性和缩小凝固范围，抑制液化裂纹和凝固裂纹；钛铝合金增材制造难点主要是tial金属间化合物塑性极差，通过引入稀土元素与al结合减少了脆性相，从而减少了制造缺陷，以上两类金属材料通过稀土改性的原理与稀土元素改性钛合金材料的原理具有本质区别。而上述cn113604695b发明添加中间稀土合金改性钛合金，所添加的非稀土金属元素(al、ni、fe、mn、co)对成形性和高温性能的作用具有互斥效果，如添加al元素会降低成形性，添加ni、fe等元素会降低材料高温性能，无法解决高温钛合金增材制造成形性差与高温力学性能不稳定的两大主要问题；同时制备中间稀土合金的工艺复杂、成本较高，因此采用何种稀土化合物解决上述问题，是目前急需解决的。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述技术问题，而提供一种采用稀土硅化物优化增材制造高温钛合金力学性能的方法。

2、本发明的一种采用稀土硅化物优化增材制造高温钛合金力学性能的方法，它是按照以下步骤进行：

3、(1)以球形钛合金粉作为增材制造高温钛合金的基体，以稀土硅化物粉末作为成分改性的原料；

4、(2)将球形钛合金粉和稀土硅化物粉末混合，得混合粉末；其中，稀土硅化物粉末占混合粉末0.1-1.0wt.％，含量过高则会导致合金脆性增大，成形性变差，含量过低则难以起到改善性能的效果；将混合粉末在氩气保护下进行低能球磨，球料比为4:1-2:1，球磨转速在150-250r/min，球磨时间为4-6h，将稀土硅化物粉末充分破碎并黏附在球形合金粉表面，球磨能量不宜过高，否则破坏钛合金粉末球形度会导致增材制造成形性变差；

5、(3)将球磨混合后的粉末置于真空干燥箱中，设置烘干温度为80-120℃，烘干时间为1～4h；

6、(4)将干燥后的粉末用于激光增材制造，在氩气保护氛围中，对选区激光熔化，具体工艺：激光功率范围为120-280w，扫描速度范围为1000-1400mm/s，扫描间距为90-120μm，层厚范围为20-80μm，基板预热温度为80-200℃；激光熔化沉积工艺具体为：激光功率范围为600-900w，送粉速率范围为3-5g/min，扫描间距90-120μm，基板预热温度为80-200℃，即完成所述的采用稀土硅化物优化增材制造高温钛合金力学性能的方法。

7、进一步地，步骤(1)中高纯净球形钛合金粉为近α高温钛合金或α+β双相高温钛合金。

8、进一步地，所述的高纯净球形钛合金粉由气雾化或旋转电极雾化制备得到。

9、进一步地，步骤(1)中稀土硅化物为硅化钇(ysi2)、硅化镧(lasi2)、硅化铈(cesi2)、硅化钆(gdsi2)或硅化钕(ndsi2)。

10、进一步地，步骤(1)中稀土硅化物粉末的纯度在99.9％以上，粒径小于净球形钛合金粉。

11、进一步地，步骤(1)中稀土硅化物粉末的粒径在15μm以下。

12、进一步地，步骤(1)中稀土硅化物粉末占混合粉末0.5-1.0wt.％。

13、进一步地，所述的稀土硅化物粉末中si元素质量分数为0.26～0.38wt.％。

14、进一步地，球形钛合金粉的粉末杂质元素含量为0.3-0.6％。

15、进一步地，所述的球料比为3:1-2:1，球磨转速在150-200r/min，球磨时间为4-6h。

16、进一步地，对增材制造得到的稀土硅化物改性的高温钛合金进行热处理，热处理温度范围为400-1000℃，热处理时间范围为1-4h。

17、本发明通过低能球磨方法在高温钛合金球形粉末表面上均匀包覆稀土硅化物，混合后的粉末球形度未受影响，流动性保持良好，在后续激光增材制造过程中改善了高温钛合金的成形性，测试材料的室温、高温力学性能均得到提升。最终实现的发明效果如下：

18、通过引入细小陶瓷颗粒，可以在增材制造过程中增大液相粘度，稳定熔池，减少液滴飞溅，使表面光洁度更高，对于选区激光熔化工艺，稳定熔池可减少后续铺粉过程中引入的缺陷，从而改善了材料的打印性。同时，稀土元素与o元素亲和力较强，可以有效净化基体中的氧含量，提高合金塑性的同时降低合金开裂倾向，对于多次打印的粉末或长期放置的粉末，稀土元素可以原位净化o元素，有利于合金粉末的贮存和多次利用，降低成本。

19、本发明经研究，选择稀土硅化物，避免了非稀土金属元素(al、ni、fe、mn、co)降低合金高温性能的情况发生，并具有成本较低，获取途径简单的优点。目前没有涉及到稀土元素与硅元素协同提高钛合金增材制造成形性和高温性能的报道。