[发明专利]钛合金的微观结构改进

说明书

公开了一种用于改进先前通过选择性熔化工艺制造的基础钛合金制品的物理特性的方法。该方法包括通过热氢工艺向基础钛合金制品引入氢，所产生的钛合金制品表现出各向同性的细化晶粒的等轴微观结构。热氢工艺可包括将氢引入基础钛合金制品，以降低β转变温度，将基础钛合金制品加热至高于降低的β转变温度，以形成氢化β，降低基础钛合金制品的温度以影响共析转变，并通过真空加热使基础钛合金制品脱氢。基础钛合金制品可以具有提高的氧含量和/或氢可以以0.4重量％或更高的比例引入。

相关申请的交叉引用

本申请要求获得2019年3月16日提交的名称为“MICROSTRUCTURALHOMOGENIZATION OF ADDITIVELY MANUFACTURED TITANIUM ARTICLE S”的美国临时专利申请序列号62/819,565的权益，该申请的公开内容在此通过引用并入。

技术领域

本公开内容涉及改进钛制品的钛微观结构的技术。虽然这些技术可用于改进由多种技术制造的钛制品，但本公开内容特别地关注增材制造的钛制品的均质化。这包括为改善性能特征而进行的均质化。

背景技术

众所周知，钛增材制造本身是一种逐层制造工艺，这反映在用这种方法制造的制品的宏观和微观结构上。实际上，构建的方向是可以通过构建层来辨别的，而且微观结构具有柱状性质。这种高度定向的结构是在选择性熔化的增材制造工艺中通过每个单独的层的连续熔化和凝固以及每个层与受到类似热循环的下一个层的相邻关系而产生。因为制品是朝一个方向构建的，所以当“逆着构建方向”和“顺着构建方向”看时，制品的微观结构必然不同。此外，微观结构是高度定向的。这在此被称为“各向异性”。

微观结构的差异导致了机械性能的差异，以至于单一材料在一个方向进行测试时，会比在另一个方向表现出更好的性能，例如，“逆着构建方向”与“顺着构建方向”。

这通常被认为是不利的，因为在设计和应用增材制造的所制造的制品时必须考虑到这些差异。这也可能导致材料的估值下降，将性能限制在“最弱”的方向。微观结构的差异还可能导致制造效率低下，因为规定了产品在构建过程中必须如何定向，这可能影响增材制造操作的能力或效率。

发明内容

钛金属增材制造技术的所有表现形式都遇到了由定向构建和各向异性造成的难题，这些技术包含熔化事件来固结(consolidate)材料。这包括使用粉末床融合方法的工艺，在此方法中，通过选择性熔化连续的钛粉末层来构建制品。粉末床融合的能量来源通常是激光或电子束。一般地，其他增材技术可归为定向能量技术。这些技术将粉末或金属丝熔化后输送到需要金属沉积的区域，并逐层构建制品。

许多钛合金都可以用这些增材制造方法进行加工，最常见的是Ti-6Al-4V。虽然在此讨论的加工细节应理解为与这种特定的合金有关，但这并不意味着是限制性的，因为本发明将在许多钛合金中找到广泛的适用性。

贯穿这些技术的共同点是改进的方法和技术，其使得正在构建的制品中相对较小区域的快速熔化和冷却，在此称为“选择性熔化”。在许多情况下，整个制品都是由经历过这些热循环的材料构成的。同样，由于制品是定向构建的，选择性熔化会导致不需要的各向异性，以及在不同方向测试时相关的机械性能差异。

本公开内容提供热氢技术应用于所有制造的钛制品，以及在某些情况下，那些专门通过增材制造方法制造的钛制品，以缓解制品中存在的各向异性，有效地使钛的微观结构均质化，并克服氧和层状微观结构的有害影响。本公开内容还涉及应用热氢技术所得的制品。这些公开内容导致了本部分和其他部分中描述的各种发明实施例。

方面A：

在本发明的一个方面，在此称为方面A，公开了一种用于改进先前通过选择性熔化工艺制造的基础钛合金制品的物理特性的方法。方面A的方法包括通过热氢工艺向基础钛合金制品中引入氢，所产生的钛合金制品表现出各向同性和细化晶粒的等轴微观结构。