[发明专利]一种具有良好增材制造成形性能的Ti‑Al基合金及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有良好增材制造成形性能的Ti-Al基合金及其应用，有望用于金属增材制造技术领域。

背景技术

钛合金由于具有比强度高，耐蚀性好，高温力学性能优良和生物相容性好等特点已经广泛的用于各行各业。但高昂的加工成本限制了其应用范围，然而，增材制造技术的出现则突破了传统技术的局限。增材制造是一种以数字模型为基础，以高能束粒子流作为热源，将材料逐点或逐层堆积形成三维实体零件的新兴制造工艺。与传统技术相比，增材制造技术节省至少30%~50%工时和降低20%~35%成本，极大的提高了零件的加工效益和经济效益。在使用性能方面，由于高能束在很短的时间内与金属材料在很小的区域发生交互作用，材料表面局部区域的快速加热和熔池周围冷态基材的强换热作用，导致激光熔池和热影响区的冷却速率可达到10²~10⁶ K/s左右，呈现典型的近快速凝固和固态相变特征，保证了金属零件具有良好的力学性能。目前增材制造所采用的合金大多是传统的铸造合金或锻造合金，但这些合金的成分设计是针对合金在铸造或锻造过程的工艺特征、组织及合金化特征和强韧化机制，而增材制造的工艺特性决定了其组织和合金化特征必然与传统的铸件或锻件具有较大差别，使得这些合金的设计通常无法充分发挥增材制造构件的力学性能，需要重新进行增材制造专用合金的设计，而增材制造的主要特征是合金在短时间内经历从熔炼到凝固的全过程，因此核心选材依据为具有高的熔体稳定性和熔体与固体结构的相容性，而从结构根源来看，材料的各种性能和化学近程序有关。通过引入描述化学近程序结构的团簇加连接原子模型，找到相应的近程序结构单元及其成分式，为增材制造的精确控形控性提供专用合金材料选材依据。

发明内容

本发明基于Ti-Al相图上共熔点处的成分，确定了该体系合金的成分与成形性能之间的规律，并提出了针对Ti-Al体系合金的双团簇合金设计模型，该模型通过建立固溶体中的溶质近程序局域结构，得到最稳定熔体和具有良好熔体与固体间相容性的固溶体结构，从而确定了具有良好成形性能的Ti-Al基合金的理想成分。

本发明采用的技术方案是：一种具有良好增材制造成形性能的Ti-Al基合金，原子百分比表述式为Ti_85.32.0(Ti,V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo)_2.90.5(Al,Sn)_11.81.0，其中Ti,V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo元素单一或者混合的总量为2.90.5 at.%，Al,Sn元素单一或者其混合的总量为11.81.0 at.%，其它元素总量控制在1 at.%以内；所述Ti-Al基合金主要的合金化元素为用于提高合金熔体的抗氧化性、熔体稳定性、增强流动性和使合金具有良好的熔体与固体结构相容性的Al元素。

所述Ti-Al基合金应用于增材制造技术专用钛合金的成分构建。

根据双团簇合金设计模型实施合金成分设计，该模型给出了化学近程序结构单元和相应成分式。合金元素首先与基体钛元素构建稳定固溶体结构单元，在Ti-Al体系中，稳定固溶体的成分式为[Al-Ti₁₄+Al-Ti₁₄]Al₂Ti₂=Al₄Ti₃₀，其中与钛呈负混合焓的元素Al位于团簇的中心位置。为了获得良好的力学性能，需要添加多组元合金元素进行成分优化，合金元素的添加则是在团簇式的基础上进行原子间的整数替代。最后确定了多组元钛合金成分式为Ti_85.32.0(Ti,V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo)_2.90.5(Al,Sn)_11.81.0，其中(Ti,V,Nb,Ta,Zr,Hf,Mo)元素单一或者混合的总量为2.90.5 at.%，(Al,Sn)元素单一或者其混合的总量为11.81.0 at.%，其它元素总量控制在1 at.%以内。