一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金

本发明属于钛合金，具体涉及一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金。

背景技术：

1、钛及钛合金由于其优越的综合性能，在航空、航天、航海、汽车、医疗器械等行业得到了广泛应用，钛的工业应用规模仅次于铁和铝，成为被广泛应用的“第三金属”。近20年来我国航空航天工业发展势头迅猛，对钛材的需求量和应用也迅速增长，然而这些领域往往对零件的尺度、形状复杂度提出了新的要求，采用传统加工方式(铸造、锻造等)往往无法满足当下零件高效制备和快速迭代的时代需求。而激光增材制造技术因其灵活的制造自由度和高效的制备模式，在高端装备钛合金零部件制造领域越来越受到重视，国内外开展了大量的相关研究。

2、然而，截至到目前，可成功工程化应用的激光增材制造钛合金种类比较有限(仅有tc4、tc21、tc18、ta15等)。与传统加工方法热条件完全不同，lam技术具有复杂的激光-材料交互作用，不稳定的熔体运动行为，陡峭的熔池热梯度，超快的凝固，冷却速率以及复杂的后热循环等技术特点，导致激光增材制造的现有牌号钛合金往往表现出强度更高、塑性相对较低以及各向异性的力学行为特点，因此，目前在航空航天及高端装备中极少使用激光增材制造钛合金作为承力构件和主要构件。诱发以上性能特点的主要原因在于两方面，一方面是沿沉积方向生长的粗大柱状β晶粒，另一方面归因于晶内形成的魏氏α集束组织。因此，亟需在控制成本的前提下，最大限度的利用激光增材制造的独特技术特点，协同调控晶粒形态和晶内组织，以期开发出激光增材制造专用钛合金，开拓增材制造专用钛合金在航空航天及工程应用，满足军事科技发展的飞速需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金。该方法通过在传统tc4钛合金中添加溶质元素ni、mo、fe，结合采用激光增材制造方法成形，显著增大凝固温度范围，促进柱状晶向等轴晶转变而细化晶粒，获得细小等轴晶组织，且晶内α板条长宽比显著减小，取向更加随机，无α集束存在，实现钛合金晶粒晶内协同调控，使得钛合金获得优良的综合力学性能，解决了激光增材制造钛合金强度与塑性失调以及各向异性的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：al 5.7％～6.6％，v 3.7％～4.3％，ni 0.6％～3.1％，mo 1.4％～1.9％，fe 0.18％～0.26％，余量为ti和不可避免的杂质，且根据凝固理论计算得该钛合金的凝固温度区间δt＝526k～572k，其中各溶质元素的溶质分配系数为：kal＝1.081～1.085，kv＝0.994～0.997，kmo＝1.371～1.378，kni＝0.217～0.257，kfe＝0.376～0.379；所述钛合金由激光增材制造方法制备得到，等轴晶粒平均尺寸为130μm～245μm，且钛合金的抗拉强度σb＝1040mpa～1240mpa，延伸率δ＝10.5％～17％。

3、本发明的钛合金在传统tc4钛合金的成分基础上添加一定含量的低成本元素ni、mo、fe，结合采用激光增材制造方法进行成形，该三种溶质元素的添加很大程度地拓宽了钛合金凝固温度范围δt，δt高达526k～572k，基于激光增材制造快速凝固的技术特点，该钛合金较大范围的凝固温度范围导致凝固过程中很大程度上过冷，使得熔池中产生相当高的形核速率，从而产生大量密度的固核，实现晶粒的细化效应，有利于改善钛合金的性能。因此，本发明共析元素添加的激光增材制造专用钛合金适应于激光增材制造中极高温度梯度和极快冷却速度等技术特点。

4、本发明中δt为凝固温度区间，采用thermo-calc热力学计算软件中scheil模型计算得到，δt反映了合金在增材制造过程中形成等轴晶的能力，当δt无限接近或大于490k时，晶粒的长宽比显著减小，合金具有形成等轴晶粒的能力。

5、本发明的钛合金中添加了高溶质分配系数的溶质元素fe、ni，其中fe元素的溶质分配系数kfe＝0.376～0.379，ni元素的溶质分配系数kni＝0.217～0.257，除了提供一定程度的成分过冷外，在激光增材制技术极大的温度梯度以及熔池快速冷却和凝固的条件下，高溶质分配系数的溶质元素更容易在固液界面前沿产生溶质原子的堆积，使得固液界面前的实际生长速率滞后于理论液相等温线的推进速率，两个界面的生长速度差将为合金的凝固提供显著的热过冷δtt，为形核提供更多的激活能，同时较慢界面推进速率也允许固液界面前沿有更充分的时间孕育形核，进一步促进等轴晶的形成。

6、本发明中k为溶质分配系数，通过thermo-calc热力学计算软件计算得到。k＞1的合金元素更容易在固液界面的固相一侧富集，而k＜1的合金元素更容易在固液界面的液相一侧富集，|k-1|的值越大则表明该合金元素在固液界面堆积情况越严重，越倾向于在凝固过程中产生溶质偏析。

7、本发明钛合金中添加的ni和fe为成本低廉的快共析元素，在钛合金中易发生共析反应，但通常共析相为脆硬性相，需要严格控制其在合金中的含量，同时合理的析出相含量可以发挥较好的析出强化效果。因此，本发明的钛合金中fe元素的添加量很少，从而fe完全以固溶的形式存在于钛合金中，不足以形成析出物，起到固溶强化的作用；ni发生共析反应形成ti2ni，本发明钛合金中合理的ni的添加量同时控制了ti2ni的含量，在am快速冷却条件下，尺寸较小的ti2ni共析相分散在α和β界面附近，起到析出强化的作用，进一步提高了合金的强度。

8、本发明钛合金中添加的mo元素，在激光增材制造的极快冷却速度下，mo原子过饱和固溶在ti中，发挥固溶强化作用的同时改变ti的晶格常数，将阻碍原子在晶体中的移动，提升钛合金的强度。同时，mo元素添加容易诱发亚稳相(ω、α″)形成，将对最终成形组织产生影响，在后热循环的作用下，最终沉积态组织α板条的长宽比降低，取向更加随机，α集束消失，提高强度的同时可以保留塑性。此外，激光增材制造过程中更容易形成微观偏析，枝晶的存在将显著降低合金的综合力学性能，而mo为溶质分配系数kmo＝1.371～1.378＞1的元素，一定程度有利于减缓溶质在液相的偏析，从而避免枝晶的形成。

9、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：al 5.7％～6.6％，v 3.7％～4.3％，ni 2.6％～3.1％，mo1.4％～1.9％，余量为ti和不可避免的杂质，且根据凝固理论计算得该钛合金的凝固温度区间δt＝559k～572k，其中各溶质元素的溶质分配系数为：kal＝1.081～1.085，kv＝0.994～0.997，kmo＝1.371～1.378，kni＝0.251～0.257，kfe＝0.376～0.379；所述钛合金由激光增材制造方法制备得到，等轴晶粒平均尺寸为130μm～150μm，且钛合金的抗拉强度σb＝1200mpa～1240mpa，延伸率δ＝10.5％～12.5％。

10、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：al 5.7％～6.6％，v 3.7％～4.3％，ni 1.6％～2.2％，mo1.4％～1.9％，fe 0.18％～0.26％，余量为ti和不可避免的杂质，且根据凝固理论计算得该钛合金的凝固温度区间δt＝541k～554k，其中各溶质元素的溶质分配系数为：kal＝1.081～1.085，kv＝0.994～0.997，kmo＝1.371～1.378，kni＝0.236～0.245，kfe＝0.376～0.379；所述钛合金由激光增材制造方法制备得到，等轴晶粒平均尺寸为150μm～170μm，且钛合金的抗拉强度σb＝1100mpa～1150mpa，延伸率δ＝13.5％～16％。

11、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，由以下质量百分含量的成分组成：al 5.7％～6.6％，v 3.7％～4.3％，ni 0.6％～1.1％，mo1.4％～1.9％，fe 0.18％～0.26％，余量为ti和不可避免的杂质，且根据凝固理论计算得该钛合金的凝固温度区间δt＝526k～540k，其中各溶质元素的溶质分配系数为：kal＝1.081～1.085，kv＝0.994～0.997，kmo＝1.371～1.378，kni＝0.217～0.222，kfe＝0.376～0.379；所述钛合金由激光增材制造方法制备得到，等轴晶粒平均尺寸为225μm～245μm，且钛合金的抗拉强度σb＝1040mpa～1070mpa，延伸率δ＝15％～17％。

12、本发明的钛合金中随着ni含量的增加，首先晶粒逐渐细化，从而发挥细晶强化作用，同时晶内α板条的尺寸形态变化，长宽比降低，且体积分数升高，影响钛合金的力学性能，此外，ni共析反应产生的ti2ni含量增多，导致延伸率即钛合金塑性降低。因此，随着ni含量的增加，本发明钛合金的抗拉强度上升但延伸率下降。

13、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，该钛合金由以下的激光增材制造方法制备而得：将原料粉末预合金粉末或元素混合粉末进行烘干处理，并放入激光增材制造设备的送粉器中，然后预设激光参数、激光扫描路径、送粉量参数，随后通过高能激光束熔化送粉喷头喷射出的粉末，在基板上形成熔池，冷却后获得单层实体片层，按照预设参数逐道逐层制备直至预制尺寸，成形得到钛合金。

14、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，所述成形的过程在惰性气氛下进行，成形采用的激光功率为2.3kw～3.5kw，扫描速度为460mm/min～650mm/min，送粉速率为7.5g/min～10.5g/min，抬升量为0.40mm～0.60mm，载气流量为4l/min～7l/min，光斑直径为5mm。

15、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，所述钛合金的尺寸长度×宽度×高度为70mm×20mm×25mm。

16、上述的一种低成本共析元素添加的激光增材制造专用钛合金，其特征在于，所述钛合金中原始β晶粒平均长宽比小于1.6，符合等轴晶范围，平均晶粒尺寸为130μm～240μm，晶内α板条平均宽度小于0.88μm，平均α板条长宽比小于9.62，α相体积分数不小于73％。本发明的钛合金中实现了晶粒细化和长宽比显著减小的α板条，调控晶粒形态和晶内组织，使得钛合金的综合力学性能得以提升。

17、本发明与现有技术相比具有以下优点：

18、1、本发明钛合金相比传统牌号钛合金更适应于激光增材制造中极高温度梯度和极快冷却速度等技术特点，工艺过程简单，可作为激光增材制造专用钛合金。

19、2、本发明通过添加溶质元素ni、mo、fe，显著增大凝固温度范围δt，促进柱状晶向等轴晶转变，由于fe、ni元素具有高溶质分配系数，除了提供成分过冷外，在固液界面前沿形成热过冷δtt，进一步促进晶粒细化，最终得到细小等轴晶组织。

20、3、本发明中通过计算溶质元素的溶质分配系数k，对分析ni、mo、fe元素在凝固过程中固液界面前沿偏析行为以及基于ni、mo、fe元素添加的新型增材制造钛合金设计具有指导意义。

21、4、本发明钛合金晶内组织得到同步优化，在增材制造后续热循环作用下，晶内α板条长宽比显著减小，取向更加随机，无α集束存在，实现晶粒晶内协同调控，使其获得优良的综合力学性能。

22、5、本发明钛合金添加fe、ni为快共析元素，成本低廉，合理的添加范围，使得尺寸较小的少量ti2ni共析相分散在α和β界面附近，起到析出和弥散强化的作用，提高钛合金强度。

23、6、本发明钛合金抗拉强度不小于1040mpa，延伸率不小于10.5％，相较于常规增材制造tc4合金的抗拉强度970mpa及延伸率9.6％有较大提升，具有优异的力学性能，适用于航空航天、飞行器、深潜器零部件等领域。

24、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。