[发明专利]一种新型的激光增材制造用Ti-Zr-V-Nb合金

说明书

本发明属于新材料技术领域，提供一种新型的激光增材制造用Ti‑Zr‑V‑Nb合金，包括Ti、Zr、V、Nb元素，合金的原子百分比为(57.03‑60.16％)Ti‑(35.16‑38.67％)Zr‑(0.39‑3.91％)V‑(0.78‑3.91％)Nb。本发明的效果和益处是Ti‑Zr‑V‑Nb合金具有简单的体心立方固溶体结构，V和Nb固溶于合金基体中，在保证Ti‑Zr直熔点合金固有性能优势的同时，通过固溶强化有效增强合金的强度和硬度；新型的Ti‑Zr‑V‑Nb合金具有优良的成形性和力学性能，且加工窗口和成分范围较宽，因此非常适合作为激光增材制造的专用材料。

技术领域

本发明提供了一种具有优异综合性能和良好可焊性的激光增材制造用Ti-Zr-V-Nb新型合金，属于新材料技术领域。

背景技术

激光增材制造技术是兼顾精确成形和高性能成性需求的一体化制造技术，具有高柔性、短周期、低成本、成形与组织性能控制一体化等诸多优点，为制备通常难以加工的钛合金复杂结构零件提供了一条新的途径。因此，近年来激光增材制造钛合金在世界范围内受到广泛关注与重视。然而，目前激光增材制造所用钛合金主要以传统的合金材料体系为主(如TC4、TC11和TA15等)，而这些合金的设计并未考虑到激光增材制造的特殊性，致使一些性能指标不能满足工业应用和激光增材制造工艺性要求。因此，研发适用于金属激光增材制造新的钛合金体系具有重要的现实意义。

激光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过程。为了实现从熔态到凝固全形态的有效控制，要求合金具有良好的液态流动性、较低的裂纹敏感性、低的成分偏析性和宽的加工窗口等性质。因此，核心选材依据为合金应具有高的熔体与固态结构相容性。从结构根源角度看，这种相容性体现在跨越从熔体到固体的高稳定性化学近程序结构，其将主导着整个成形过程中组织的形成和性能的控制。这使得合金体系的选取显得至关重要，应以接近直熔(congruent melting)成分点为优选原则之一。因为直熔点合金与纯金属一样是在恒温下进行凝固的，而具有极佳的液态流动性和高的组织稳定性，加之凝固过程中固相成分始终与液相成分相同而不会产生微观偏析。这在激光增材制造Ti-Zr直熔合金实验中得到很好的验证，其在激光增材制造交变热循环过程中不仅具有高的组织稳定性和均匀性，而且有着良好的成形性能和优异的耐蚀性，且其塑性应变量更是达到56％，要远高于传统的TC4合金，因而有着成为激光增材制造材料的潜质。但同时也彰显其在力学性能方面的一些不足之处，如强度和硬度较低。因此，如何在保持直熔合金固有性能优势的同时，有效地提高其力学性能，是决定该合金体系能否作为激光增材制造材料的关键所在。

固溶强化是提高钛合金硬度和强度的有效方法之一，其实质是位错与溶质相互作用的结果。这需要从合金的原子特性考虑，以与位错强相互作用的元素为优先选择原则之一，通过合金成分的优化设计，达到提高合金硬度和强度的目的；与此同时，为改善和提高合金结构的稳定性，有效地抑制析出相，并兼顾稳定结构的同时凝固区间扩大的问题，合金元素尚需具有良好的β-Ti稳定作用，且在一定添加范围内不宜扩大液固两相区。基于以上因素考虑，因V和Nb同时具备上述特征，是两种理想的合金元素。

但问题的关键是如何实现合金元素的优化设计，以实现合金结构与力学和工艺性能之间的最佳匹配关系。与单一元素合金化有所不同，多元合金化组元间因存在强烈的耦合作用，致使合金组织和性能演化存在许多不确定性，呈现出拓扑变化特征，难以籍单一组元与组织性能间的映像关系来推测其在多元合金中的作用，致使传统的成分设计方法难以对其进行有效的设计。基于此，我们采用先进的团簇模型对合金进行了优化设计。该模型将合金的成分和结构信息有机的统一于团簇式中，并融合了耦合因素对合金结构的影响。在此基础上，通过系统的实验研究，揭示多元合金化的强化规律与内在机制，并对模型进行修正，以此实现合金成分的优化设计。

发明内容

本发明的目的针对目前钛合金难以满足激光增材制造工艺性和使用性的现状，研发了一种具有优异综合性能和良好可焊性的激光增材制造用Ti-Zr-V-Nb新型合金。

本发明采用的技术方案是：