[发明专利]一种钛合金丝材铜/氧化钇复合改性方法及应用

说明书

本发明提供一种钛合金丝材铜/氧化钇复合改性方法及应用，采用复合化学镀技术对钛合金丝材表面进行改性，使得钛合金丝表面含有质量分数2~8%的铜元素以及0.1~1%的氧化钇颗粒，使用稳定化处理工艺消除复合镀层的内应力，使用热处理工艺对丝材的复合镀层进行扩散固化。在增材制造过程中，铜和氧化钇颗粒随丝材被送入熔池中，所加入的合金元素铜和氧化钇颗粒对增材制造钛合金晶粒有显著的等轴化效果和细化效果，在使增材制造钛合金组织粗大的柱状β晶粒发生等轴化转变的同时，细化等轴晶粒，改善钛合金构件组织及力学性能的各向异性，并起到显著的增强增韧作用。

技术领域：

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种钛合金丝材铜/氧化钇复合改性方法及应用。

背景技术：

钛合金由于其具有高比强度、高损伤容限等特性，被广泛应用在中央翼盒、机翼桁条等大型承力结构上。为满足使用要求，这种结构通常采用锻造后机加工的方式进行制造，在加工过程中，大量的材料被去除，使得这种制造方式的材料利用率通常不到20％，成本高昂。而以丝材为原料的增材制造技术(电弧、电子束、激光等)，由于兼具高沉积效率和近净成型的优点使得其成为制造大型复杂承力结构的理想解决方案。然而，由于增材制造技术的固有特点，所形成的晶粒通常为宽度大于300μm的柱状晶，组织较为粗大且具有明显的方向性。因此，相较于锻造样件，增材制造的样件在抗拉强度等力学性能上存在明显差距且具有各向异性。

目前，对增材制造钛合金组织细化及等轴化的方法多集中于在增材过程中通过施加额外物理场的方式实现，例如使用超声振动(授权，专利号 CN201510967486.0)，同步轧制(授权，专利号CN201710009692.X)等。但是这些方法需要复杂的附加设备，而且对控制系统设计及反馈调节能力的要求很高，不适用于大型承力结构的快速增材制造。通过设计热处理过程(公开，专利号 CN201911330681.7)虽然可以实现晶粒的等轴化，但长时间在β转变温度以上保温，钛合金晶粒不可避免发生长大，虽然减少了各向异性的产生，但是导致力学性能下降。通过加入合金元素对组织细化是一种常用的调控手段，而在以丝材为原料的增材制造技术中使用很少，这是因为：传统的丝材制备方法为将棒料或盘条经多次拉拔制备成丝，由于高含量合金元素的加入通常会导致脆性相的产生，致使丝材在拉拔过程中很容易出现截面不均匀等缺陷甚至拉断无法成丝，而且通常元素只能以固溶态或界面处金属间化合物的形态存在，无法提供弥散、独立的形核点。

基于此，本发明提供一种钛合金丝材铜/氧化钇复合改性方法，并且应用在增材制造领域中，所制备的铜/氧化钇改性钛合金丝材可在细化组织的同时，解决力学性能各向异性的问题。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种钛合金丝材铜改性方法及应用，Cu元素在钛及钛合金中具有显著的成分过冷效应，可以显著抑制晶粒的方向性生长，促进柱状晶的等轴化。Y₂O₃是钛合金中有效的形核剂，可以提高钛合金的形核率，促进晶粒细化。由于晶粒细化的作用，使得构件的强度和塑性得到提升，实现较好的强韧匹配。

本发明为制备上述复合改性钛合金丝材，提出了一套钛合金丝材铜/氧化钇复合改性方法，包括复合化学镀和热处理两部分，具体包括以下步骤：

S1、复合化学镀处理：将钛合金丝材置于碱洗液中浸泡，用流动水将碱洗后的钛合金丝材冲洗至表面pH值为中性，随后置于活化液中进行活化处理，将活化后的钛合金丝材置于复合镀制剂中进行复合镀，最后用流动水清洗，得到含有铜/氧化钇镀层的钛合金丝材；

S2、热处理：将S1中得到的含有铜/氧化钇镀层的钛合金丝材进行热处理，得到铜/氧化钇复合改性钛合金丝材。

进一步的，所述S1具体包括以下步骤：

a.碱洗：将钛合金丝材置于碱洗夜中，浸泡5～10分钟；

b.水洗：使用流动水将碱洗后的钛合金丝材冲洗至表面pH值为中性；