一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材及其制备方法

本发明涉及金属基复合材料及其制备领域，特别涉及一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材及其制备方法。

背景技术：

1、钛基复合材料凭借其高比强度和优异的耐高温性能被广泛应用在航空航天、武器装备等领域。随着新一代国防武器的发展，构件几何结构日趋复杂，一体化成形要求日益增加。传统粉末冶金、机械加工等减材制造方式材料利用低，切削加工困难，难以一体化成形复杂结构零部件。增材制造技术采用“自下而上”“逐层累积”的方式可以高效一体化成形复杂结构零部件，其中电弧增材制造以其高沉积速率被广泛用于大型零部件制造。使用电弧增材制造钛基复合材料关键在于丝材的制备与增强相的引入。根据丝材制备方式的不同，相应的增强相引入可分为外加法和原位添加法。

2、外加法是电弧增材制备钛基复合材料的主要方式，采用商业钛合金丝材为原料，通过在沉积层上涂敷或喷涂增强相颗粒的方式，实现增强相的引入。此类方法要求每层打印后间隔一段时间以实现增强相溶液的涂覆，过程繁琐，降低了增材制造效率，并且增强体含量难以控制，间隔时间对于打印组织有一定的影响，增强相在层与层之间的分散均匀尺度难以解决。

3、原位添加法主要通过预制药芯焊丝的方式实现钛合金基体中增强相的引入。专利cn201711310930.7公开了一种用于3d打印钛基复合材料的钛药芯焊丝的制备方法，通过向纯钛管内填充钛合金基体粉末和陶瓷相混合粉末，再经过轧制和拉拔减径，使用电弧熔丝沉积技术制备了钛基复合材料。然而，此种方法虽然可以实现增强相的原位添加，但丝材外壁和药芯粉末之间存在成分差异，难以进行成分调控，并且依附在粉末表面的陶瓷颗粒经溶化后，易于在熔池内部偏聚，造成沉积的钛基复合材料组织内部存在宏观偏析。

技术实现思路

1、本发明针对电弧增材制造钛基复合材料增强相难以引入且原位添加法存在分布不均匀、钛基复合材料丝材难以加工、难以进行成分调控的问题，而提供一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材及其制备方法。

2、有别于传统铝基复合材料，钛基复合材料的强度远高于铝基复合材料，其低塑性和高加工硬化行为使得钛基复合材料丝材在拉拔过程中极易断丝。对于尺寸小(直径尺寸≤1.2mm)，变形量大的电弧增材制造用钛基复合材料丝材，常规方式只能以降低增强相含量，或者提高变形温度为代价，适用于电弧增材制造的钛基复合材料丝材目前未见报道。本发明使用网状结构钛基复合材料作为原料，经过锻造，轧制，拉拔，表面处理四个阶段后，制备了组织均匀的钛基复合材料丝材。所述钛基复合材料丝材，实现了增强相的引入及其宏观上的均匀分布，并且增强相与钛合金基体结合紧密而不引入其他缺陷。丝材内部组织成分均匀，使得电弧增材钛基复合材料获得良好的组织性能稳定性，易于实现成分调控。

3、本发明在第一方面提供了一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材，所述钛基复合材料丝材包括钛基体相和陶瓷增强相，陶瓷增强相在钛基体相中呈均匀分布。

4、本发明的一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材是由钛基体相和陶瓷增强相组成；所述的陶瓷增强相的质量分数为0.1％～5％。

5、所述钛基复合材料丝材的陶瓷增强相的质量分数为0.1～5％(例如，可以是0.1％、0.5％、0.9％、1.1％、2.3％、3.5％、4.7％或5％)。

6、进一步地，所述的陶瓷增强相为tib2、tic、b、zrb2、si中的一种或多种。

7、所述钛基体相选自纯钛、tc4钛合金、ta15合金中的一种。所述陶瓷增强相选自tib2、tic、b、zrb2、si中的一种或多种(例如，可以是tib2、tib2+tic、tib2+zrb2+si)。

8、进一步地，所述的陶瓷增强相的质量分数为0.5％～3％。

9、进一步地，所述的陶瓷增强相的质量分数为1％～2％。

10、进一步地，所述的钛基复合材料丝材的直径尺寸0.1～5mm。

11、所述钛基复合材料丝材的直径为0.1～5mm(例如，可以是0.1mm、0.5mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm、1.9mm、2.2mm、3.5mm、4.9mm、5mm)。

12、本发明在第二方面提供了一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材的制备方法，所述钛基复合材料丝材的制备方法是以网状结构钛基复合材料为原材料(图2展示了经热压烧结后得到的网状结构钛基复合材料原材料)，经过锻造、轧制、拉拔和表面处理后，得到的均匀连续的钛基复合材料丝材(图3展示了一种经上述工艺得到的直径为0.5mm的钛基复合材料丝材)。增强相在丝材内部呈现均匀弥散分布(图4丝材基体中黑色相为弥散分布的增强相)，并且与基体之间紧密结合(图5展示了增强相与基体之间的结合情况)。

13、本发明的一种电弧增材制造用钛基复合材料丝材制备方法，是按照如下方式制备得到：

14、步骤一、钛基复合材料的预制：将钛基粉末与陶瓷粉末使用低能球磨混合均匀，静置，得到钛基混合粉末，将钛基混合粉末进行真空热压烧结、冷却，得到网状结构钛基复合材料锭材；

15、步骤二、将钛基复合材料锭材进行锻造和轧制，得到钛基复合材料棒材；

16、步骤三、将钛基复合材料棒材进行热拉拔处理，获得钛基复合材料丝材；

17、步骤四、上述钛基复合材料丝材进行表面处理，得到电弧增材制造用钛基复合材料丝材。

18、步骤四中，所述钛基复合材料丝材的直径为0.1～5mm(例如，可以是0.1mm、0.5mm、0.6mm、0.9mm、1.2mm、1.5mm、1.9mm、2.2mm、3.5mm、4.9mm、5mm)。

19、进一步地，步骤一所述的钛基粉末粒径为75-150μm，所述陶瓷粉末粒径为5μm。

20、所述钛基粉末的粒径为50-200μm(例如，可以是50-75μm、75-100μm、100-125μm、125-150μm、150-175μm、175-200μm)，所述陶瓷粉末粒径为(0.5μm-15μm)。

21、进一步地，步骤一所述低能球磨的球磨转速为180～220r/min，球磨时间为4-5h，球料比(3～5):1。

22、进一步地，步骤一所述真空热压烧结温度为1100℃～1300℃，烧结压力为20～50mpa，烧结时间为1.5～3h，随炉冷却。

23、进一步地，步骤一锻造温度为1000℃，轧制温度为950℃。

24、本发明所制得的钛基复合材料丝材，其基体相和增强相的种类和含量可以通过改变步骤(1)中钛基粉末和陶瓷粉末的组成来调控。所述钛基复合材料丝材，其直径可以通过步骤(3)和步骤(4)来调控。

25、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

26、本发明以网状结构钛基复合材料为原料，通过调控原料中的增强相配比，以保证原材料具有良好的加工成形性，进一步调整轧制拉拔过程中的工艺温度，实现了均匀连续，直径尺寸最低可达0.5mm的钛基复合材料丝材制备，解决了小尺寸钛基复合材料丝材难以制备的难题。

27、本发明通过使用上述钛基复合材料丝材用于电弧增材制造，实现了增强相的原位引入以及沉积态中增强相的均匀分布，进一步实现沉积态钛基复合材料力学性能的提高，解决了电弧熔丝增材制造钛基复合材料中增强相难以引入且分布不均、力学性能较差的难题。

28、本发明采用热压烧结的网状结构材料作为原材料，实现了宏观尺度上增强相在基体中均匀分布，避免了原料中陶瓷相偏聚的问题。采用锻造、轧制、热拉拔和表面处理的方式，进一步将基体中的增强相细化并均匀化，所制钛基复合材料丝材用于电弧增材制造，可以避免组织不均性，实现组织与性能均匀化。

29、相对于传统涂敷法和药芯丝材法，本发明制备的钛基复合材料丝材可以实现原位增强相颗粒的添加，无需层间冷却，同时解决了药芯丝材法制备钛基复合材料增强相难以分布均匀的难题。