[发明专利]一种960MPa强度级电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材

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960MPa强度级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结构承受较大载荷，对强度要求较高。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匹配具有明显优势，但因热加工周期长、材料利用率（只有3%~5%）极低导致成本非常高；在锻件尺寸规格较大和变截面情况下，还存在显微组织和性能均匀性难以保证的技术难题问题；铸件的优点是材料利用率比锻件高，但强度、塑性等力学性能比锻件明显偏低，而且铸件中不可避免的存在铸造缺陷，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，应用范围受到较大限制。锻造和铸造两种制备方法均需要工装模具，对设备、场地要求严格，快速响应能力较低。

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，可从三维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。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，零件的性能一致性较好，因此也是直接制造超大型钛合金结构的理想解决方案。

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材料的显微组织与锻造和铸造钛合金显微组织完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织，显微组织比锻件粗大，材料强化受到材料塑性限制很大。鉴于材料的性能取决于合金成分、制备工艺和热处理工艺，由于α+β型钛合金的热处理强化效果不明显，在电子束熔丝堆积快速成形特定工艺条件下，要获得较高的强度同时兼顾力学性能之间的合理匹配，必须对现有材料的合金成分进行创造性调整。

发明内容

本发明给出的是一种适合于制造更高强度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材料的抗拉强度达到960MPa，同时保持了必要的塑性，从而满足该强度级别电子束熔丝堆积快速成形构件的设计及应用需要。

钛合金有固溶强化、弥散强化、细晶强化和位错强化等多种强化手段和方式，但对于电子束熔丝快速成形工艺，由于没有热机械加工过程，因此位错密度较低，位错强化效果不会太明显；同样由于熔丝快速成形工艺特点，晶粒比较粗大，采用析出相会导致材料塑韧性明显降低，因此从材料强韧性匹配角度，我们优先选择了固溶强化和细化显微组织的细晶强化方案。

本发明的研究者发现，虽然钛合金中的某些元素如Al对材料的强化效果很明显，但由于这些元素与Ti的原子结合能为负且绝对值较大，具有较强的有序化倾向，导致材料塑性和韧性的明显降低，因此，从强韧化匹配角度考虑，尽量避免采用单一元素强化。

本发明提出一种960MPa强度级的电子束熔丝堆积快速成形构件用α+β型钛合金丝材，其特征在于：采用合金元素Al、C、O强化α相，采用合金元素V、Fe和Si强化β相，丝材成分及其重量百分比为Al：6.2%~7.2%；V：4.0%~5.5%；Fe：0.08%~0.50%；O：0.12~0.24%；Si：0.05~0.12%，C：0.03~0.08%；余量为Ti和不可避免的杂质元素。

对本发明钛合金丝材合金元素种类及其成分范围的选择是发明人多年研究的结果，下面分别作较详细的说明：

铝(Al)：Al是钛合金最常用的一种强化元素，同时具有稳定α相和提高材料相变转变温度的作用。Al含量增加，钛合金强度增加明显，但对材料塑性和韧性有不利影响，尤其是当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%~7.2%之间，使材料在获得高强度的同时保持必要的塑性和韧性；

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相和降低下相变点的作用。本发明研究者发现，V含量增加，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4.0~5.5之间为优。

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。但本发明研究者研究发现，在电子束熔丝快速成形技术条件下，O是一种必需的强化元素，其含量在0.12wt%~0.22%之间时，可以使材料在获得高强度的同时，塑性、韧性得到较好兼顾。