[发明专利]一种中强高韧性电子束熔丝堆积快速成形构件用钛合金丝材

说明书

技术领域：

本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种专用于制作中强高韧电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材。

背景技术

为减轻飞机结构重量，采用高比强度的钛合金材料是一种非常理想的选择。飞机用大型复杂钛合金承力结构承受较大载荷，同时基于长寿命和高可靠性的需求，对材料性能特别是静强度、疲劳强度和韧性的要求较高。传统的大型复杂钛合金结构有锻造和铸造两种典型制备方法，相对于铸件，锻造零部件（锻件）综合力学性能尤其是强度和塑性具有明显优势，但存在热加工周期长、材料利用率（只有3%~5%）极低和成本高的缺点，而且在毛坯尺寸大的情况下，锻件组织和性能的均匀性也难以保证；铸件的优点是材料利用率比锻件高，成本比锻件低，但铸件强度、塑性等力学性能与锻件相比明显偏低，而且还存在由于尺寸效应带来的显微组织及力学性能的均匀性及铸造缺陷难以控制的问题，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，使其应用范围受到很大限制。锻造和铸造两种工艺手段均需要工装模具，对设备、场地要求严格，进一步延长了供货周期、提高了成本，不具备快速反应能力。

电子束熔丝堆积快速成形是上世纪90年代以后兴起的一项新技术，可以通过三维CAD模型直接制造零件，无须模具，制件机械加工量小，成形速度和成形质量都比较高，可以大大加快设计-验证迭代循环，实现敏捷制造，优势明显。电子束熔丝堆积快速成形技术采用微滴组装的办法，对零件尺寸不敏感，因此大尺寸零件的性能一致性也较好，是直接制造大中型钛合金结构件的理想解决方案。

然而，由于采用了与传统制备方法完全不同的工艺，电子束熔丝堆积快速成形钛合金的显微组织与锻件、铸件完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织。因为材料的性能取决于合金成分和显微组织，在显微组织发生重大改变的情况下，要获得与传统锻造工艺相同或相近的力学性能，必须对材料的合金成分进行创造性调整。

发明内容

本发明的目的是研究一种适合于制备中强高韧电子束熔丝堆积快速成形构件的钛合金丝材，采用这种丝材，可以使电子束熔丝堆积快速成形构件的抗拉强度达到850MPa~890MPa之间，同时具有高韧性和高疲劳性能，其特征在于：所说丝材的成分及重量百分比为Al：6.2%~7.0%；V:4.0%~5.0%；O：0.13~0.24%，Fe≤0.1%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。用其制作的电子束熔丝堆积材料拉伸强度R_m在850MPa~900MPa之间，延伸率δ≥9%，冲击韧性α_kU2≥65J/cm²，断裂韧度K_IC≥100MPa·m^1/2，从而满足高安全可靠性、长寿命电子束熔丝堆积快速成形钛合金结构件的设计需要。

对本发明钛合金丝材中合金元素种类及其成分范围的选择说明如下：

铝(Al)：Al是钛合金最常用的一种强化元素，同时具有稳定α相和提高相变转变温度的作用。Al含量增加对钛合金强度增加有明显作用，但对材料塑性和韧性有不利影响，尤其是由于Al含量增加导致Ti₃Al相析出时，对塑性和韧性损害更大。本发明钛合金丝材中将Al的加入量控制在6.2%~7.0%之间，使材料保持高塑性和韧性的同时保证高的静强度；

钒（V）：V是钛合金常用的一种β稳定元素，具有固溶强化、稳定β相和降低α+β/α相变点的作用。本发明的研究者发现，V含量增加到，还具有细化条状α相的作用，因此兼具有细晶强化作用。但由于V价格较高，从性价比考量，将V的加入量确定在4.0~5.0之间。

氧（O）：O是一种强α稳定元素，从元素占位角度，与N、H同属间隙元素。间隙元素对材料的强化作用明显，但对材料的塑性和韧性的不利作用也很明显，因此在现有认知的高韧性钛合金中O、N、H元素是作为杂质元素严格控制的。而本发明的研究者发现，在电子束熔丝快速成形技术条件下，O含量在0.13wt%~0.24%之间时，是材料获得高静强度和疲劳强度的必要条件，但塑性、韧性也可得到较好兼顾。

本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下：原材料采用0~2级海绵钛，合金元素V以Al-V中间合金加入，Al元素不足部分由纯Al加入；合金元素O以TiO₂加入。中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，放入真空自耗电弧炉中熔炼2~3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。