一种电弧增材用超高韧钛合金及钛合金结构件的制造方法
技术领域
本发明涉及电弧增材用钛合金领域，具体的说是一种电弧增材用超高韧钛合金及钛合金结构件的制造方法。
背景技术
增材制造技术具有近净成形、一次成型等优势，能够一次制造大型金属整体结构件。其中，电弧增材制造技术以电弧为热源，以丝材为堆积原材料，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，具有成形速率高，致密度高、残余应力小、制造成本低等显著优点。钛合金电弧增材制造结构件未来在航空航天、船舶及海洋装备关键承力结构领域应用前景广阔。
随着断裂力学的发展，钛合金关键承力结构一般采用安全性设计，不仅要有足够的强度，而且要兼顾较高的塑性与良好的韧性。一般要求钛合金屈服强度不低于700MPa，延伸率不低于15％，冲击韧性不低于60J，断裂韧性不低于100MPa·m1/2。强度与塑性、韧性的匹配性作为一种钛合金性能重要的技术指标，越来越得到重视。
目前电弧增材制造钛合金材料一般沿用传统钛合金成分，一般含有2wt％～10wt％β稳定元素，在凝固过程中形成2％～50％的β相，β相在增材制造复杂的热历程中易析出有害相，降低材料塑韧性，甚至导致制造过程中开裂。此外，电弧增材成形过程中熔池和热影响区的尺寸大，成形过程中热积累高，常形成大尺寸的柱状晶和较为明显的热影响条带，造成材料塑韧性降低，目前开展研究的电弧增材Ti-6Al-4V等合金的延伸率一般不超过15％。
因此急需开发一种新型超高韧性钛合金，满足航空航天、船舶与海洋工程用关键承力结构件的共性需求。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种电弧增材用超高韧钛合金及钛合金结构件的制造方法，该钛合金不仅具有良好的韧性，同时还具有良好的抗裂性，可通过电弧增材制造成为大型复杂结构。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al5.5～9.0％，Zr 5.5～9.0％，Sn 0.5～3.0％，Cu 0～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
一种钛合金结构件的制造方法，包括如下步骤：
S1、根据权利要求1中钛合金的成分体系及重量比，设计选用纯钛丝、纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝和纯铜丝为原料，以直径为3mm的纯钛丝为基准，在保证各纯金属丝长度一致的前提下，计算纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝、纯铜丝的直径，然后制备各纯金属丝；
S2、通过缠绕或捆扎的方式将纯钛丝、纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝、纯铜丝互相混合，制成混合丝；
S3、采用电弧增材方法利用混合丝制造钛合金结构件；
S4、在钛合金结构件制造过程中或制造完成后，通过真空退火消除钛合金结构件中的残余应力。
进一步地，步骤S3中，采用电弧增材方法制造钛合金结构件的具体步骤为：以纯钛板或Ti-6Al-4V合金板为基板，采用手工钨极氩弧焊方法堆积，先堆积10mm厚的过渡层，随后逐层堆积直至达到钛合金结构件的目标尺寸，堆积过程中电压为10-15V，电流为80-150A，采用氩气进行保护，氩气流量8-20L/min，堆积完成后机加工去除基板及过渡层。
进一步地，步骤S4中，真空退火的温度为500-800℃，退火时间为1h。
进一步地，步骤S4中，当钛合金结构件的截面厚度大于50mm时，在钛合金结构件制造过程中进行真空退火；当钛合金结构件的截面厚度不大于50mm时，在钛合金结构件制造完成后进行真空退火。
进一步地，钛合金结构件所达到的性能如下：Rm≥800MP、RP0.2≥700MP、A≥15％、KV2≥60J、KIC≥120MPa·m1/2、KISCC≥90MPa·m1/2。
本发明中的钛合金相变点较高，约1000℃～1040℃，增材制造过程中晶粒不易长大；合金的冷、热裂倾向小，结构件截面厚度不大于120mm时无冷、热裂纹；在高温下组织的稳定性好，在增材制造复杂热历程下冲击韧性不超过30％。
本发明添加了5.5-9.0wt％的Al元素，铝元素在钛合金中能起有效的固溶强化作用，提高(α+β)/β相变点，能够固溶于α相内且在铝当量低于9wt％时不产生化合物相，可以提高钛合金强度的同时还能使合金保持良好的塑性；
本发明添加了5.5-9.0wt％的Zr元素，锆的晶格类型与钛完全相同，原子半径也相近，锆元素在α钛和β钛中均能形成无限互溶固溶体，起固溶强化作用，同时锆能促进合金的孪晶变形，对保证材料抗裂性、提高冲击韧性、断裂韧性具有一定的作用。
本发明添加了0.5～3.0wt％的Sn元素，可进一步提升合金的强度，但锡元素易在钛合金中形成Ti3Sn金属间化合物，对塑韧性有不利影响，因此本发明中锡元素添加量不超过3.0wt％。
本发明添加了0～3.0wt％的Cu元素，铜元素在钛中的固溶度较小，一般不起β稳定作用，而是电弧增材的凝固过程中形成Ti2Cu析出相，阻止晶粒长大。
本发明的合金仅含有少量或不含β稳定元素，在增材制造过程中不易形成柱状晶和热影响条带，有利于提高合金的塑性。
有益效果：
1、本发明中的钛合金其为近α钛合金，含有Al、Sn、Zr、Cu等合金元素。其中Al元素为α相稳定元素，能够提高强度的同时进一步提高相变点，防治晶粒异常长大；Zr、Sn元素为中性元素，作用在于进一步提高钛合金强度，其中Zr元素还能稳定材料增材制造性能，提高抗裂性；Cu在钛基体中的溶解度较小，一般以Ti2Cu析出相形式存在，能够细化晶粒。该钛合金具有很高的塑性、韧性，且与强度的匹配性保持一致。该合金在航空航天、船舶和海洋工程等领域具有良好的技术应用与市场前景。
2、本发明可采用纯金属丝直接电弧增材制造出大型结构件，可省去合金熔炼、锻造、拉丝等步骤，大幅度缩短了制造流程、提高了材料收得率，可明显提高制造效率、降低制造成本。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al5.5～9.0％，Zr 5.5～9.0％，Sn 0.5～3.0％，Cu 0～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质。
一种钛合金结构件的制造方法，包括如下步骤：
S1、根据上述钛合金的成分体系及重量比，设计选用纯钛丝、纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝和纯铜丝为原料，以直径为3mm的纯钛丝为基准，在保证各纯金属丝长度一致的前提下，计算纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝、纯铜丝的直径，然后制备各纯金属丝；
S2、通过缠绕或捆扎的方式将纯钛丝、纯铝丝、纯锆丝、纯锡丝、纯铜丝互相混合，制成混合丝；
S3、采用电弧增材方法利用混合丝制造钛合金结构件；详细地，以纯钛板或Ti-6Al-4V合金板为基板，采用手工钨极氩弧焊方法堆积，先堆积10mm厚的过渡层，随后逐层堆积直至达到钛合金结构件的目标尺寸，堆积过程中电压为10-15V，电流为80-150A，采用氩气进行保护，氩气流量8-20L/min，堆积完成后机加工去除基板及过渡层；
S4、在钛合金结构件制造过程中或制造完成后，通过真空退火消除钛合金结构件中的残余应力，真空退火的温度为500-800℃，退火时间为1h；其中，当钛合金结构件的截面厚度大于50mm时，在钛合金结构件制造过程中进行真空退火；当钛合金结构件的截面厚度不大于50mm时，在钛合金结构件制造完成后进行真空退火。
需要说明的是，步骤S1中，以纯钛丝和纯铝丝为例阐述纯金属丝直径的计算方法：令纯钛丝和纯铝丝的长度均为L，纯钛丝的质量为w1，半径为d1，密度为ρ1；纯铝丝的质量为w2，半径为d2，密度为ρ2；则
在w1、w2、ρ1、ρ2和d1(d1取3mm)均已知的情况下，即可计算出纯铝丝的直径。
实施例1
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al5.5％，Zr9.0％，Sn0.5％，余量为Ti和不可避免的杂质。
钛合金结构件(管壳式换热器外壳，其截面厚度为15mm)的制造方法为：根据合金重量比计算所需丝材直径并制备各纯金属丝材，钛丝3.0mm，铝丝1.0mm，锆丝0.8mm，锡丝0.2mm，将丝材通过捆扎方式制成混合丝；以电弧为热源增材制造管壳式换热器外壳，电弧参数：电压12V，电流120A，氩气流量8L/min。结构件制造完成后去应力退火，退火温度500℃，退火时间1h。
实施例2
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al9％，Zr 5.5％，Sn 3％，Cu 3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
钛合金结构件(钛合金螺旋桨，其截面最大厚度为80mm)的制造方法为：根据合金重量比计算所需丝材直径并制备各纯金属丝材，钛丝3.0mm，铝丝1.2mm，锆丝0.6mm，锡丝0.4mm，铜丝0.4mm，将丝材通过捆扎方式制成混合丝；以电弧为热源增材制造钛合金螺旋桨，电弧参数：电压12V，电流120A，氩气流量20L/min；每堆积20kg进行一次去应力退火，退火温度500℃，退火时间1h。
实施例3
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al6％，Zr 6％，Sn 3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
钛合金结构件(钛合金高压气瓶，其截面最大厚度为80mm)的制造方法为：根据合金重量比计算所需丝材直径并制备各纯金属丝材，钛丝3.0mm，铝丝1.0mm，锆丝0.6mm，锡丝0.5mm，将丝材通过互相缠绕方式制成混合丝。以电弧为热源增材制造钛合金高压气瓶，电弧参数：电压15V，电流100A，氩气流量12L/min。结构件制造完成后去应力退火，退火温度550℃，退火时间1h。
实施例4
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al9％，Zr 6％，Sn 2％，余量为Ti和不可避免的杂质。
钛合金结构件(钛合金球壳，其截面最大厚度为12mm)的制造方法为：根据合金重量比计算所需丝材直径并制备各纯金属丝材，钛丝3.0mm，铝丝1.2mm，锆丝0.6mm，锡丝0.4mm，将丝材通过捆扎方式制成混合丝；以电弧为热源增材制造钛合金螺旋桨，电弧参数：电压12V，电流120A，氩气流量10L/min；结构件制造完成后去应力退火，退火温度800℃，退火时间1h。
实施例5
一种电弧增材用超高韧钛合金，所述钛合金包括如下以质量百分比计的组分：Al6％，Zr 9％，Sn 3％，Cu 3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
钛合金结构件(钛合金蜂窝结构，其截面最大厚度为55mm)的制造方法为：根据合金重量比计算所需丝材直径并制备各纯金属丝材，钛丝3.0mm，铝丝1.0mm，锆丝0.8mm，锡丝0.5mm，铜丝0.4mm，将各纯金属丝材通过互相缠绕方式制成混合丝。以电弧为热源增材制造钛合金蜂窝结构，电弧参数：电压15V，电流150A，氩气流量15L/min。每堆积20kg进行一次去应力退火，退火温度500℃，退火时间1h。
对实施例1～实施例5制造的钛合金结构件进行性能测试，其结果详见表1。
表1实施例1～实施例5制造的钛合金结构件的性能测试结果
由表1可知，本发明中的超高韧钛合金在屈服强度高于740MPa的情况下，兼顾了较高的塑性与良好的韧性，尤其是室温冲击功高达60J以上，相当于或高于同等强度的变形钛合金锻件，非常适合用于船舶与海洋工程大型结构件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
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