降低各向异性的增材制造方法及其加B钛合金增材材料

技术领域

本发明属于激光增材制造领域；具体涉及一种加B钛合金增材制造材料；还涉及一种能够降低各向异性的增材制造方法。

背景技术

钛合金作为一种在航空航天、生物医用等领域广泛使用的工程结构材料，具有比强度高、耐腐蚀、高温稳定性优越以及生物相容性好等众多优点。而利用激光增材制造技术，对原材料直接熔覆成形，省去传统铸造加工方式铸模、脱模等环节，大幅度的缩短了钛合金零部件的加工周期，同时极大的提高了原材料的利用率。所以，通过激光增材制造技术进行钛合金的加工成形在工业生产场合的到广泛推广。但是已有的研究表明，在TC4钛合金激光熔覆成形过程中，由于熔池内部存在自上而下的较大温度梯度，导致成形件原始β柱状晶粗大，如图1所示，没有B的钛合金试样内部原始柱状晶晶界清晰可见，且晶界α相沿晶界连续分布；随着凝固过程进行，β相向α相转变，尤其在原始晶界处易出现连续分布的晶界α相。该晶界α相易成为裂纹扩展的路径，减弱钛合金的强塑性，同时成形件各向异性突出。

发明内容

本发明提供了一种降低各向异性的增材制造方法及其加B钛合金增材材料。使用该方法制备的钛合金能够消除晶界，降低各向异性，并且其综合力学性能优良，提高了塑性。

本发明的技术方案是：一种加B钛合金增材材料，包括B粉和钛合金粉，其中B粉的质量占比为0.01-0.2％，钛合金粉的粒度为30-200μm，B粉的粒度为20-100μm。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中B粉的质量占比控制在0.03-0.06％之间。

本发明的另一技术方案是：一种降低各向异性的增材制造方法，包括以下步骤：步骤S1，取B粉和钛合金粉，其中B粉的质量占比为0.01-0.2％，其中B粉的粒度为20-100μm，钛合金粉的粒度为30-200μm；步骤S2，将B粉和钛合金粉混合均匀，并且在真空环境下烘干；步骤S3，使用激光增材制造装置将步骤2中烘干的混合粉末在保护气氛下进行激光熔覆成形，该过程中生成难熔相TiB，TiB沿晶界析出，阻断α相的连续生长，使α相破碎分离，从而得到成形的样件。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤S1中B粉的质量占比控制在0.03-0.06％之间。

其中步骤S3中得到的样件具有均匀细小的板条状α相。

其中步骤S2中真空烘干的温度为120℃，且至少烘干8h。

其中S3中保护气氛为氩气。

其中该方法还包括对样件进行热处理，具体为在900-970℃的环境中保温0.5-2h，然后在500-600℃的环境下保温2-6h。

其中样件在两次保温之后均进行空冷处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：硼在钛合金中溶解度有限，当熔池开始凝固时，硼原子在固液界面处发生富集，从而产生成分过冷，提高形核率，细化柱状晶晶粒；另一方面，由Ti-B二元相图可知，B原子和Ti反应生成难熔相TiB，TiB相沿晶界析出，阻断α相沿原始晶界的连续生长，从而达到消除晶界的目的，避免裂纹沿晶界扩展，最终提高成形部件的综合力学性能，为钛合金零件的激光增材制造及修复提供指导作用，为激光增材制备钛合金领域带来明显的经济效益。在钛合金粉末中混入定量的B粉，使其均匀的混合在钛合金粉末中，通过激光增材制造钛合金构件，进一步研究，发现B粉的质量占比控制在0.03-0.06％之间时，激光增材制造的钛合金构件沉积态初生柱状晶晶界明显减少，强度变化较小，塑性明显提高，构件的各向异性显著降低。

本发明的有益效果还在于：通过该方法制备的钛合金产品能够消除原始β柱状晶晶界，降低各向异性，提高塑性；具体的加入B的钛合金沉积态组织晶界明显减少并弱化，晶界α相细化且发生破碎分离，最终力学性能各向异性最低降至3.2％；塑性相对锻件明显提高，延伸率最高可达16.2％，断面收缩率43％。

更进一步的，构件经过热处理后原始柱状晶晶界消失，组织均匀细化，最终力学性能各向异性最低降至0.8％；塑性显著提高，延伸率最高可达16.7％，断面收缩率37.3％。解决了激光增材制造TC4钛合金构件的关键技术难题。

附图说明

图1为现有技术中使用激光增材制造的钛合金构件的局部区域金相图；

图2为本发明的方法激光增材制造的钛合金构件局部区域的金相图；

图3为本发明的方法激光增材制造且热处理的钛合金构件局部区域的金相图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种加B钛合金增材材料，该材料包括B粉和钛合金粉末，其中B粉的质量占比为0.01-0.2％，且B粉的粒度为30-200μm，B粉的粒度为20-100μm。

优选的B粉的质量占比控制在0.03-0.06％之间；钛合金粉为TC4粉。

本发明还提供了一种降低各向异性的增材制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，取B粉和钛合金粉，其中B粉的质量占比为0.01-0.2％，且B粉的粒度为20-100μm，钛合金粉的粒度为30-200μm；

步骤S2，将步骤S1中取得的两种粉通过机械混粉、球磨混粉或合金化混粉的方式混合均匀，然后将混合均匀的粉末在真空、120℃的环境下烘干，且烘干时长至少8h；其中机械混粉的时长为3-10h。

步骤S3，使用激光增材制造装置将步骤2中烘干的混合粉末在保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件；其中保护气氛为氩气保护气氛。

步骤S4，对步骤S3中得到的样件进行热处理，具体过程是：将成形样件在900-970℃下保温0.5-2h，经过空冷处理后，在500-600℃下保温2-6h，在进行空冷处理。

优选的，热处理还可以为：将成形样件进行固溶处理，固溶温度为900-970℃，固溶时长为0.5-2h，然后进行空冷，然后进行时效处理，时效温度为500-600℃，时效时间为2-6h，再进行空冷处理。

本发明的实施例包括：

实施例1

B粉的质量占比控制在0.04％，将B粉和钛合金粉末通过机械混粉的方式混合4h，其中B粉的粒度为20μm，钛合金粉的粒度为100μm，在真空120℃下烘干9h；再使用激光增材制造装置将上述混合粉末在氩气保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件。其中激光功率为180W，激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为2.5g/min，Z轴提升量△Z＝0.10mm，扫描间距0.2mm。对样件进行线切割、抛磨以及腐蚀处理。最后分别利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察组织，如图2所示，其中样件原始柱状晶晶界明显消失或者弱化，且连续晶界α相发生破碎分离，形成细小的等轴相或者较短的板条状。

实施例2

B粉的质量占比为0.05％，将B粉和钛合金粉末通过机械混粉的方式混合3h，其中B粉的粒度为30μm，钛合金粉的粒度为150μm，在真空120℃下烘干8h；再使用激光增材制造装置将上述混合粉末在氩气保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件；然后对样件进行热处理，其中将样件在950℃的环境下保温1h，然后进行空冷处理，将其在560℃的环境下保温4h，在进行空冷处理，得到的样件的金相图如图3所示，原始晶界完全消失，内部组织为均匀细小的板条α相。

实施例3

B粉的质量占比为0.1％，将B粉和钛合金粉末通过球磨混粉的方式混合2h，其中B粉的粒度为100μm，钛合金粉的粒度为200μm，在真空120℃下烘干8h；再使用激光增材制造装置将上述混合粉末在氩气保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件；然后对样件进行热处理，其中将样件进行固溶处理，固溶温度为970℃，时长为2h，然后进行空冷处理，再将其进行时效处理，时效温度为600℃，时效时间为6h，再进行空冷处理，得到样件产品。

实施例4

B粉的质量占比为0.2％，将B粉和钛合金粉末通过球磨混粉的方式混合2h，其中B粉的粒度为20μm，钛合金粉的粒度为200μm，在真空120℃下烘干10h；再使用激光增材制造装置将上述混合粉末在氩气保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件；然后对样件进行热处理，其中将样件进行固溶处理，固溶温度为900℃，时长为2h，然后进行空冷处理，再将其进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为2h，再进行空冷处理，得到样件产品。

实施例5

B粉的质量占比为0.03％，将B粉和钛合金粉末通过合金化混粉的方式混合4h，其中B粉的粒度为60μm，钛合金粉的粒度为40μm，在真空120℃下烘干8h；再使用激光增材制造装置将上述混合粉末在氩气保护气氛下进行激光熔覆成形，得到成形样件；然后对样件进行热处理，其中将样件进行固溶处理，固溶温度为950℃，时长为0.5h，然后进行空冷处理，再将其进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为6h，再进行空冷处理，得到样件产品。

实施例6

B粉的质量占比为0.06％，且B粉的粒度为100μm，钛合金的粒度为180μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在960℃下保温1.5h，经过空冷处理，再在550℃下保温3h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

实施例7

B粉的质量占比为0.11％，且B粉的粒度为90μm，钛合金的粒度为200μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在950℃下保温0.5h，经过空冷处理，再在510℃下保温6h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

实施例8

B粉的质量占比为0.7％，且B粉的粒度为80μm，钛合金的粒度为80μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在900℃下保温2h，经过空冷处理，再在540℃下保温4.5h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

实施例9

B粉的质量占比为0.09％，且B粉的粒度为30μm，钛合金的粒度为30μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在900℃下保温2h，经过空冷处理，再在600℃下保温2h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

实施例10

B粉的质量占比为0.15％，且B粉的粒度为70μm，钛合金的粒度为40μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在940℃下保温0.5h，经过空冷处理，再在530℃下保温2.5h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

实施例11

B粉的质量占比为0.05％，且B粉的粒度为40μm，钛合金的粒度为80μm；且通过激光熔覆得到样件之后，对样件进行热处理的过程中，先将样件在935℃下保温1h，经过空冷处理，再在575℃下保温3h，再进行空冷处理，最终得到样件。该样件具有均匀细小的板条状α相。

使用本发明的增材材料以及其增材制造方法得到的钛合金样件与现有的钛合金样件相比，其最终力学性能各向异性能够降至0.8-3.2％，延伸率最高可到16.2-16.7％，断面收缩率可到37.3-43％，并且其塑性相对锻件明显提高。

本发明的进一步研究发现，当B含量超过0.2％时，高脆性的TiB沿晶界分布形成网状，使钛合金的性能严重恶化，所以B变质处理钛合金的加入量控制在0.01-0.2％。