[發明專利]一種鈦合金絲材銅/氧化釔復合改性方法及應用

有效

• 申請號: 202110434085.4
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113249712B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 姚正軍;李祥碩;張莎莎;姚孟欣;彭道明;張冰怡
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C18/40
• 分類號: C23C18/40;C23C18/18;B33Y70/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王楠

本發明提供一種鈦合金絲材銅/氧化釔復合改性方法及應用，采用復合化學鍍技術對鈦合金絲材表面進行改性，使得鈦合金絲表面含有質量分數2~8%的銅元素以及0.1~1%的氧化釔顆粒，使用穩定化處理工藝消除復合鍍層的內應力，使用熱處理工藝對絲材的復合鍍層進行擴散固化。在增材制造過程中，銅和氧化釔顆粒隨絲材被送入熔池中，所加入的合金元素銅和氧化釔顆粒對增材制造鈦合金晶粒有顯著的等軸化效果和細化效果，在使增材制造鈦合金組織粗大的柱狀β晶粒發生等軸化轉變的同時，細化等軸晶粒，改善鈦合金構件組織及力學性能的各向異性，并起到顯著的增強增韌作用。

技術領域：

本發明屬于鈦合金材料技術領域，具體涉及一種鈦合金絲材銅/氧化釔復合改性方法及應用。

背景技術：

鈦合金由于其具有高比強度、高損傷容限等特性，被廣泛應用在中央翼盒、機翼桁條等大型承力結構上。為滿足使用要求，這種結構通常采用鍛造后機加工的方式進行制造，在加工過程中，大量的材料被去除，使得這種制造方式的材料利用率通常不到20％，成本高昂。而以絲材為原料的增材制造技術(電弧、電子束、激光等)，由于兼具高沉積效率和近凈成型的優點使得其成為制造大型復雜承力結構的理想解決方案。然而，由于增材制造技術的固有特點，所形成的晶粒通常為寬度大于300μm的柱狀晶，組織較為粗大且具有明顯的方向性。因此，相較于鍛造樣件，增材制造的樣件在抗拉強度等力學性能上存在明顯差距且具有各向異性。

目前，對增材制造鈦合金組織細化及等軸化的方法多集中于在增材過程中通過施加額外物理場的方式實現，例如使用超聲振動(授權，專利號 CN201510967486.0)，同步軋制(授權，專利號CN201710009692.X)等。但是這些方法需要復雜的附加設備，而且對控制系統設計及反饋調節能力的要求很高，不適用于大型承力結構的快速增材制造。通過設計熱處理過程(公開，專利號 CN201911330681.7)雖然可以實現晶粒的等軸化，但長時間在β轉變溫度以上保溫，鈦合金晶粒不可避免發生長大，雖然減少了各向異性的產生，但是導致力學性能下降。通過加入合金元素對組織細化是一種常用的調控手段，而在以絲材為原料的增材制造技術中使用很少，這是因為：傳統的絲材制備方法為將棒料或盤條經多次拉拔制備成絲，由于高含量合金元素的加入通常會導致脆性相的產生，致使絲材在拉拔過程中很容易出現截面不均勻等缺陷甚至拉斷無法成絲，而且通常元素只能以固溶態或界面處金屬間化合物的形態存在，無法提供彌散、獨立的形核點。

基于此，本發明提供一種鈦合金絲材銅/氧化釔復合改性方法，并且應用在增材制造領域中，所制備的銅/氧化釔改性鈦合金絲材可在細化組織的同時，解決力學性能各向異性的問題。

發明內容：

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種鈦合金絲材銅改性方法及應用，Cu元素在鈦及鈦合金中具有顯著的成分過冷效應，可以顯著抑制晶粒的方向性生長，促進柱狀晶的等軸化。Y₂O₃是鈦合金中有效的形核劑，可以提高鈦合金的形核率，促進晶粒細化。由于晶粒細化的作用，使得構件的強度和塑性得到提升，實現較好的強韌匹配。

本發明為制備上述復合改性鈦合金絲材，提出了一套鈦合金絲材銅/氧化釔復合改性方法，包括復合化學鍍和熱處理兩部分，具體包括以下步驟：

S1、復合化學鍍處理：將鈦合金絲材置于堿洗液中浸泡，用流動水將堿洗后的鈦合金絲材沖洗至表面pH值為中性，隨后置于活化液中進行活化處理，將活化后的鈦合金絲材置于復合鍍制劑中進行復合鍍，最后用流動水清洗，得到含有銅/氧化釔鍍層的鈦合金絲材；

S2、熱處理：將S1中得到的含有銅/氧化釔鍍層的鈦合金絲材進行熱處理，得到銅/氧化釔復合改性鈦合金絲材。

進一步的，所述S1具體包括以下步驟：

a.堿洗：將鈦合金絲材置于堿洗夜中，浸泡5～10分鐘；

b.水洗：使用流動水將堿洗后的鈦合金絲材沖洗至表面pH值為中性；