[發明專利]一種780MPa強度級電子束熔絲3D打印構件用鈦合金絲材

在審

• 申請號: 201710118945.7
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106994471A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 于衛新;李士凱;晏陽陽
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七二五研究所
• 主分類號: B21C37/04
• 分類號: B21C37/04;C22C14/00;C22C1/03;B33Y70/00
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙)41120
• 代理人: 周會芝

技術領域

本發明屬于鈦合金技術領域，具體涉及一種780MPa 強度級電子束熔絲3D打印構件用鈦合金絲材及其成型工藝。

背景技術

鈦合金具有比強度高、耐蝕性好、無磁性等優良的綜合性能，應用于船舶與海洋工程領域有以下兩方面的優勢：（1）鈦合金在海水中不腐蝕，保證了設備運行安全性，同時大幅降低維護和更換成本；（2）鈦合金比強度高，采用鈦合金代替鋼制構件可實現減重40%左右。因此，鈦合金構件在船舶與海洋工程領域具有廣闊的應用前景。

海洋工程用大型復雜鈦合金結構有鍛造和鑄造兩種典型制備方法。相對于鑄件，鍛件綜合力學性能具有明顯優勢，但鍛件熱加工周期長、件材料利用率低等因素導致鍛件成本高；在鍛件尺寸規格較大和變截面情況下，還存在顯微組織和性能均勻性難以保證的技術難題；鑄件的優點是材料利用率比鍛件高，但強度、塑性等力學性能比鍛件明顯偏低，而且鑄件中不可避免的存在鑄造缺陷，導致多數關鍵承力結構不能采用鑄造工藝，應用范圍受到較大限制。鍛造和鑄造兩種制備方法均需要工裝模具，對設備、場地要求嚴格，快速響應能力較低。

3D打印技術從零件的三維CAD模型出發，無需模具，直接制造零件，大大縮短復雜構件的制造周期、降低材料消耗和加工制造費用。電子束熔絲沉積3D打印技術采用高能電子束作為熱源，在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送人熔池并熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件。

然而，由于采用了與傳統制備方法完全不同的工藝，電子束熔絲3D打印鈦合金材料的顯微組織與鍛造和鑄造鈦合金顯微組織完全不同，是一種近平衡態快速凝固組織。海洋工程用鈦合金構件要求強度適中，具有較高的韌性和良好的可焊性。鑒于材料的性能取決于合金成分和組織狀態，在電子束熔絲堆積快速成形特定工藝條件下，要獲得材料強度、塑韌性、可焊性間的合理匹配，必須對現有材料的合金成分進行創造性調整。

發明內容

本發明的發明目的是提供一種780MPa 強度級電子束熔絲3D打印構件用鈦合金絲材，該鈦合金絲材直徑可達0.8mm，可以使電子束熔絲3D打印構件的抗拉強度達到780MPa以上、延伸率達到10%以上，綜合性能滿足海洋工程領域領域用電子束熔絲3D打印構件的設計及應用需要。

本發明所采用的技術方案是：一種780MPa 強度級電子束熔絲3D打印構件用鈦合金絲材，采用合金元素Al和Zr強化α相，采用合金元素Nb和Mo強化β相，合金成分及重量百分比為Al：6.0%～7.0%；Nb：2.2%～3.5%；Zr：1.3%～2.6%；Mo：0.6% ～1.5%；Fe≤0.25%，Si≤0.15%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.15%；余量為Ti。

所述的鈦合金經以下步驟熔煉制成：Ti以海綿鈦的形式加入，合金元素Mo、Nb分別以Al-Mo、Al-Nb中間合金形式加入，Zr以純金屬形式加入，Al不足部分由純Al補充；原材料經混合機混合均勻后制成電極，電極在氬氣罩保護下組焊在一起，然后經真空熔煉2-3次，制成合金錠，再對合金錠進行切除冒口，采用車床進行扒皮處理，制得鈦合金光錠。

所述的780MPa 強度級電子束熔絲3D打印構件用鈦合金絲材的成形工藝，包括以下步驟：

（1） 鑄錠鍛造：在1000℃~1200℃下采用壓機對鈦合金光錠進行開坯，得到方坯；在950℃~1050℃下采用壓機或鍛錘對方坯進行改鍛，再在900℃~1000℃下將鈦合金方坯鍛造成截面50mm×50mm的方棒；

（2） 盤條軋制：在850℃~950℃下采用盤條軋機將鈦合金方棒軋制成Ф8.5~9.0mm的盤圓；

（3） 盤條機加工：將Ф8.5~9.0mm的盤圓通過無心車床進行扒皮，除去0.8mm-1mm 的表層金屬，得到鈦合金絲材；

（4） 絲材拉拔成形：拉拔溫度750℃~950℃，拉拔速度5~25m/min，道次截面縮減率12~18%；

（5） 成品：將拉拔成形后絲材采用3度的內外錐角圓刃模去掉材料表面的潤滑劑、氧化皮雜質層，拉制成表面光亮的成品絲材。