[发明专利]一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法

说明书

本发明公开了一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，包括以下步骤：一、将钛合金原料混合，得到混合料；二、将混合料压制，得到电极块；三、将电极块中频感应熔炼，得到圆柱坯料；四、将圆柱坯料打磨、倒角和焊接，得到焊接圆柱坯料；五、将焊接圆柱坯料真空自耗电弧熔炼，得到圆柱铸锭；六、将圆柱铸锭锻造，得到锻造棒；七、将锻造棒高温晶化和低温退火，得到高强钛合金棒。本发明通过中频感应熔炼配合真空自耗电弧熔炼和高温晶化，使高强钛合金棒的微观组织中形成独特的纳米级层次结构，保证了高强钛合金棒不会出现β斑，提高了高强钛合金棒的成分均匀性和抗拉强度，从而保证了高强钛合金棒满足增材制造制粉用的强度要求。

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法。

背景技术

金属钛的重量大约只有低碳钢的45％，由于比强度高，抗腐蚀性能优异等特点被广泛应用在各个工业领域。金属钛经常与一些其他的金属混合，以此进一步提高其强度。早在50年前，金属学家们就开始将钛与价格更为低廉的铁、钒、铝金属混合，以此进一步提高强度，经过科学家们长期的研究和应用实验，得到了具有良好的抗腐蚀性、较高的比强度和良好的耐疲劳性能的Ti-1Al-8V-5Fe合金(以下简称Ti185)，使其在航空航天、医疗器械和汽车等行业有着广泛的应用。就像研究人员之一的Devaraj说的那样，我们惊奇的发现这种钛合金能够达到如此高的强度。但在以后的生产和应用中发现，所制得的Ti185合金强度却时高时低，分析研究发现：由于其具有较高的Fe含量，采用常规的真空自耗电弧熔炼，尽管经多次熔炼，也常常不可避免的产生Fe元素的偏析，形成β斑，虽采用多次熔炼和热变形加工等方式来达到成分的相对均匀化，防止成分偏析，但电弧熔炼是端部部分熔炼，并很快凝固，整体成分难以完全均匀化，造成各批次的性能总是很不稳定，产品质量参差不齐而限制了其广泛的应用。针对以上问题，国内外专家学者分别选用了饱和氢化钛或不饱和氢化钛粉末、中间合金粉末等各种粉末，采用粉末冶金的方法替代了电弧熔炼的不全部混合熔融态钛金属，制备出了无β斑的Ti185粉末冶金材料，如国内的四川大学高思宇等人用低成本的Fe-80V中间合金代替了单质V和Fe采用粉末冶金制备出了无β斑的Ti185粉末冶金材料，其抗拉强度可达840±20MPa。然而，在随后的报道，不断的爆料有关Ti185科研创新报道：研究人员们在对粉末冶金材料处理过程中发现，为了调节粉末冶金件的使用性能，需要进行热处理，发现高温热处理后，材料微观组织中均出现了纳米和微米沉淀区域即在β相基体上出现了聚集的α相，科研人员们进一步改善这种烧结钛合金，进行了在较低温度热处理之前通过使用高温预处理，以期望改善其材料性能。然而这仅仅是在研究层次上，仅可少量应用于航空航天等尖端领域，如近期美国将这种粉末冶金方法制备的Ti185合金棒经过热处理后拉丝，利用这种高强度丝材进行3D打印成飞机支架配件，对于汽车等民用领域的大量供货，然而粉末冶金方法不能一次性的规模化生产，而且不同批次，或者是同批次的不同件，因压制、烧结过程不可避免的造成材料或器件的性能不统一，不利于工厂的规模化和质量的稳定控制。

随着电子束或激光3D打印技术的出现，这种高强度合金再次引起了人们的广泛关注和投入，3D打印技术需要具有流动性好的高球形度粉末，而具有高球形度粉末的制备主要用旋转电极法制取，而旋转电极法制取Ti185球形粉末需要将Ti185加工成具有适用于高速旋转的、成分均匀的、无β斑的Ti185棒材。而Ti185棒材的加工如前面所述的由于其具有较高的Fe含量，采用常规的真空自耗电弧熔炼和热压力加工方法，目前市场上的Ti185棒还没有彻底解决Fe元素的偏析，出现β斑的问题，高速旋转棒常常出现从这个缺陷处断裂飞出，造成安全事故，经对断裂处的高倍扫描发现其断裂处发现有大量的斑点，面扫描成分为Fe，即是Fe的偏析相，形成的β斑。研究人员和从事压力加工人员虽然经过努力，减少或消除β斑，但不是每批次都能避免β斑，而且同批次有些有β斑有些没有，各批次或同批次的性能总是很不稳定，造成了Ti185合金棒的性能不稳定。

针对以上问题，需要提供一种稳定的增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法。

发明内容