[发明专利]一种用于丝材3D打印的稀土钛合金

说明书

本发明提供了一种用于丝材3D打印的稀土钛合金，由以下重量百分比含量的成份组成：Pr：0.1%‑0.99%，Al：5.5%‑6.75%，V：3.5%‑4.5%，Y：0.01%‑1%，B：0.01%‑1%，O：0.12%‑0.2%，N：0.01%‑0.03%，Fe：0.1%‑0.2%，C：0.06%‑0.08%，H小于0.015%，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明针对丝材增材制造过程中出现的晶粒粗大的问题，在Ti‑6Al‑4V合金的基础上，优化原有合金元素含量并添加Pr为核心元素，Y，B为辅助元素来细化晶粒，改善合金组织，提高丝材的抗拉强度和塑性，使钛合金丝更加适用于3D打印。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体而言，涉及一种用于丝材3D打印的稀土钛合金。

背景技术

随着3D打印技术的发展，3D打印高温、高性能钛合金零件被各航空、航天大国列为重点研发的课题。目前国际上普遍使用等离子雾化3.2mm钛合金丝的工艺来生产高品质球形钛合金粉，再由钛合金粉打印成各种零部件。由于钛的亲氧性，该方法在生产的过程中易增氧，需要在保护气氛下进行。另外钛合金粉存在生产成本高、不易保存、材料利用率低等不足，严重限制了其推广应用。

金属丝材3D打印技术，又称电弧增材制造技术，是一种利用逐层熔覆原理，采用焊机产生的电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。相比于钛合金粉末3D打印技术，一方面钛合金丝材3D打印技术省去了钛合金丝生产钛粉的环节，精简了高温高性能3D打印钛合金零部件的生产工艺流程，避开了在制造钛粉的过程中易增氧、增氢、不易保存的技术难题，减少了各种资源的消耗，制造成本大幅下降；另一方面使用钛合金丝材3D打印技术令材料利用率大幅提高，打印的钛合金零部件的致密度和性能也更好。目前金属丝材3D打印工艺主要受制于丝材的性能：打印构件的性能受丝材的力学性能影响较大，钛合金需要有较好的抗拉强度和塑性；由于丝材3D打印技术的本质是微铸自由熔积成形，相比激光、电子束增材制造技术而言，电弧的热输入较高，成形过程中熔池和热影响区的尺寸较大，较长时间内已成形构件将受到移动的电弧热源往复后热作用，会生成垂直于基体的β相粗壮晶粒，也会导致低熔点合金元素烧损，严重影响打印件的机械性能。为了保证丝材机械性能，改良打印构件的组织性能，研发适合3D打印用的钛合金丝成为了发展钛丝材3D打印工艺亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于丝材3D打印的稀土钛合金。在Ti-6Al-4V合金的基础上，本发明针对增材制造过程中出现的晶粒粗大的问题，向钛合金中添加稀土元素来细化晶粒、改善合金组织，优化合金元素含量来提高丝材的抗拉强度和塑性，使钛合金丝更加适用于3D打印的使用。经过理论研究和实验测定，最终确定向Ti-6Al-4V合金中加入含量为0.1%-0.99%的Pr元素。Pr元素的加入增加了固液界面的过冷度，过冷度的增加使得氧化镨成为了更有效的形核剂，晶粒形核速度增加,单位时间形核数量增加。Pr元素增加过冷度的原因是会引入扰动，增加热量流动导致温度梯度增加。同时氧化镨早于β-Ti形成，钉扎β相晶界，阻碍晶粒长大。在细化晶粒的同时，稀土元素Pr在钛中可以形成连续的固溶体，起到固溶强化的作用，提高钛合金的抗拉强度和塑性。本发明的具体成份组成按重量百分比计，为：Pr：0.1%-0.99%，Al：5.5%-6.75%，V：3.5%-4.5%，Y：0.01%-1%，B：0.01%-1%，O：0.12%-0.2%，N：0.01%-0.03%，Fe：0.1%-0.2%，C：0.06%-0.08%，H小于0.015%，余量为Ti和不可避免的杂质。