[发明专利]一种高韧钛合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高韧钛合金及其增材制备方法，本发明高韧钛合金按质量百分比计，包括，Al：4.3%‑5.0%；2.5‑3.3%Mo；2.0‑2.5%Zr；0.1‑0.2%Si；0.5‑2.2%Cu；余量为Ti和不可避免的杂质。本发明的高韧钛合金通过加入铜，细化钛合金晶粒尺寸和α相的尺寸，延缓裂纹扩展速度，提高钛合金的断裂韧性，同时通过对加工过程的氧含量控制，严格保持钛合金中的低氧含量，通过热处理工艺设计获得了优异的力学性能。

技术领域

本发明涉及激光增材制造钛合金的方法，尤其是涉及一种高韧钛合金及其增材制备方法。

背景技术

航空主承力结构的轻量化和高安全特性要求机体材料具有优异的综合力学性能。结构选材时除强调静强度和疲劳性能指标外，对于损伤容限特性更为关注。受制于金属材料强度和韧性的固有矛盾，高强度钛合金普遍断裂韧性较差，疲劳裂纹扩展速率较高。为满足航空关键承力构件损伤容限要求，国内外主要通过合金成分控制、热机械加工和热处理等多方面措施改善钛合金的损伤容限性能，其本质是通过降低材料的静强度提高韧性。随着航空主承力结构损伤容限理念的发展和轻量化要求的提高，航空装备对高强、高韧钛合金需求日益迫切。结构材料要同时满足高强度和高韧性的综合力学性能要求，这些性能又对材料组织结构协调提出了更高的要求。

铜元素作为钛合金的β稳定元素，加入到钛合金中可同时细化钛合金的晶粒尺寸和α相的尺寸，延缓裂纹扩展速度，提高钛合金的断裂韧性。铜元素也具有较强的固溶强化作用，能够提高钛合金的强度。另外，铜的加入有利于获得特种双态显微组织，提高钛合金的性能。但是，采用传统的铸造+锻造的方法，铜元素极易偏析，易在钛合金中形成富铜区域，生成有害的脆性金属间化合物相，严重恶化钛合金力学性能，同时也会导致锻造过程极易开裂。

金属增材制造技术是将快速原型技术和金属熔覆技术相结合的一种先进制造技术。增材制造过程中，高能热源不断形成微小熔池，微小熔池内部金属原材料进行冶金反应，可实现高性能材料制备与复杂构件制造一步完成。增材制造技术高度柔性的特质可以实现高性能非平衡材料与复杂结构制造，成形构件具有无宏观偏析、成分均组织致密的快速凝固非平衡组织，综合力学性能优异。利用高能热源直接制造金属零件的增材制造技术已广泛应用于航空、航天和国防科技中高温合金、钛合金、高强钢、金属基复合材料、金属间化合物等材料高性能关键零部件的快速成形制造或修复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧钛合金及其增材制备方法，利用增材制造技术同时实现材料制备和成形。

第一，本发明提供一种高韧钛合金，按质量百分比计，包括，Al：4.3%-5.0%；2.5-3.3%Mo；2.0-2.5%Zr；0.1-0.2%Si；0.5-2.2%Cu；余量为Ti和不可避免的杂质。

进一步优选的，Cu的含量为1.0-1.5%。

进一步优选的，所述高韧钛合金的显微组织为网篮组织，α相的体积分数为75-85%，α相的晶粒大小为1.1-1.4μm。

进一步优选的，所述高韧钛合金的断裂韧性为125以上，屈服强度为1000MPa以上。

第二，本发明还提供了上述技术方案所述的高韧钛合金的高能束增材制备方法，包括以下步骤：

1）采用预合金化法或保护气氛混粉法制粉，以使得制得的粉末配比满足所述高韧钛合金的成分要求；

2）在保护气氛下将所述制得的粉末送粉，采用高能束增材制造方式定向沉积钛合金；

3）将增材制造得到的钛合金进行975-985℃/2h/空冷+725-735℃/4h退火条件的热处理。

进一步优选的，步骤1）中采用保护气氛混粉法制粉，具体为采用预合金粉和铜粉为原料，在惰性气氛的手套箱中进行整个混粉过程。

进一步优选的，所述惰性气氛的氧含量为100ppm以下。