权利要求
1.一种细晶粒近α高温钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将合金粉末填充到SLM加工设备的构建平台上，开始SLM加工;SLM加工时激光功率为260~380W，扫描速度为1000~1500mm/s，扫描间距为0.05~0.15mm;所述合金粉末为Ti60合金粉末和硼粉以及铁粉混合;
(2)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理;去应力处理和时效处理的温度各自独立地选自600~1000℃，固溶处理的温度为1000~1300℃，且固溶处理的温度>去应力处理的温度>时效处理的温度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Ti60合金粉末的化学成分由以下质量百分比的组分组成：Al 5.2~6.0%、Mo 0.2~1.0%、Sn 3.0~4.5%、Zr 2.5~4.0%、Si 0.2~0.6%、Ta 0.2~1.5%、Nb 0.2~0.7%、C 0.02~0.08%，余量为Ti。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，Ti60合金粉末的粒径为15~60μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硼粉和铁粉的质量均为Ti60合金粉末质量的0.005~0.02%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中SLM加工时激光功率为280~350W，扫描速度为1200~1400mm/s，扫描间距为0.09~0.11mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中合金粉末填充到SLM加工设备的构建平台上的厚度为30~60μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中去应力处理的温度为700~900℃，时间为1~5h;固溶处理的温度为1000~1200℃，时间为1~5h;时效处理的温度为600~800℃，时间为1~10h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中固溶处理的温度-去应力处理的温度≤200℃。
9.一种细晶粒近α高温钛合金，其特征在于，由权利要求1所述的制备方法制备得到。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种细晶粒近α高温钛合金的制备方法。
背景技术
[0002]随着航空航天事业的快速发展，对相关金属及合金材料的性能要求越来越高。其中耐600℃高温的钛合金因其优异的比强度、耐腐蚀性和耐高温性能，成为制造航空发动机和航天器叶片、叶盘等构件的理想材料。高温钛合金中的网篮组织由针状α相和β相组成，网篮组织的结构在800~900℃变形时，显示出比其他组织更高的强度，这是因为网篮组织中较多的细小针状α相晶界，成为了可动位错运动的障碍，即使在高温下也能维持材料的强度。晶粒呈相对均匀球形或多面体形状，取向分布显著，且晶粒尺寸相当，具有优异的塑性和韧性，表现出出色的高温力学性能和较低的温度敏感性。此外，网篮组织在600℃左右变形时流变应力基本不受温度的影响，显示出良好的热稳定性。这些特性使得网篮组织在高温钛合金中具有显著的应用优势，尤其是在航空航天等领域对材料高温性能要求较高的部件制造中。
[0003]传统的铸造和锻造工艺在制造复杂形状的高温钛合金部件时，存在诸多限制因素，如设备成本高、材料利用率低、制造周期长等。选择性激光熔化(SLM技术)作为一种新兴的增材制造技术，能够精确控制材料的堆积，制造复杂形状的部件，且材料利用率高，制造周期短。然而，目前在600℃使用高温钛合金Ti60增材制造大型构件的应用，尚处于探索阶段，打印过程中容易形成较为强烈的织构，使得晶粒较粗大，影响了材料的综合性能;同时，传统的合金热处理工艺往往难以充分消除增材制造过程中产生的快速凝固组织和残余应力，容易形成魏氏组织，使得网篮组织均匀性较差，进一步限制了合金性能的提升。因此，需要对合金材料的成形和热处理工艺进行优化和探索。
发明内容
[0004]本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种细晶粒近α高温钛合金的制备方法，通过合适的SLM加工参数和热处理工艺，控制钛合金内部组织结构，得到力学性能较好的合金材料。
[0005]本发明技术方案中细晶粒近α高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将合金粉末填充到SLM加工设备的构建平台上，开始SLM加工;SLM加工时激光功率为260~380W，扫描速度为1000~ 1500mm/s，扫描间距为0.05~ 0.15mm;所述合金粉末为Ti60合金粉末和硼粉以及铁粉混合;
(2)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理;去应力处理和时效处理的温度各自独立地选自600~1000℃，固溶处理的温度为1000~1300℃，且固溶处理的温度>去应力处理的温度>时效处理的温度。
[0006]通过调整激光功率、扫描速度和扫描间距，避免了成形过程中的裂纹和孔隙缺陷，确保了每层熔道间以及层间的良好冶金结合，显著提高了合金材料的致密度，从而提高了材料的力学性能，增强了其在苛刻环境下的应用潜力。去应力热处理可以消除制造过程中产生的残余应力，固溶处理可以充分溶解合金中的强化相，消除快速凝固组织，时效处理可以促进析出相的形核和生长，三者依次进行，可以优化微观组织，得到均匀的网篮组织，显著提高合金的强塑性匹配、热稳定性和抗蠕变性能，降低了因表面氧化而导致性能退化的可能。
[0007]进一步地，Ti60合金粉末的化学成分由以下质量百分比的组分组成：Al 5.2~6.0%、Mo 0.2~1.0%、Sn 3.0~4.5%、Zr 2.5~4.0%、Si 0.2~ 0.6%、Ta 0.2~1.5%、Nb 0.2~0.7%、C 0.02~0.08%，余量为Ti。
[0008]作为优选，Ti60合金粉末预先在60~100℃烘6~12h，以去除水分，并使用筛分设备清除合金粉末中的杂质和大颗粒。
[0009]作为优选，Ti60合金粉末的粒径为15~60μm。
[0010]进一步地，硼粉和铁粉的质量均为Ti60合金粉末质量的0.005~0.02%。向Ti60合金粉末中添加微量的硼粉和铁粉，引入B元素和Fe元素，可以提供异质形核点，促进晶粒细化，减少柱状晶粒的形成，有助于降低合金材料的各向异性，提高其在不同方向上的均匀性能，对于提高部件的整体性能和可靠性至关重要。
[0011]进一步地，步骤(1)中SLM加工时激光功率为280~350W，扫描速度为1200~1400mm/s，扫描间距为0.09~0.11mm。合理的激光功率、扫描速度和扫描间距，可以减少织构的形成，显著细化晶粒，有助于降低材料的各向异性，提高其在不同方向上的均匀性能，提高部件的整体性能和可靠性。
[0012]进一步地，步骤(1)中合金粉末填充到SLM加工设备的构建平台上的厚度为30~60μm。
[0013]进一步地，步骤(2)中去应力处理的温度为700~900℃，时间为1~5h;固溶处理的温度为1000~1200℃，时间为1~5h;时效处理的温度为600~800℃，时间为1~10h。
[0014]进一步地，步骤(2)中固溶处理的温度-去应力处理的温度≤200℃。通过控制热处理的温度，避免因温度梯度过大，导致内部残余拉应力超过合金强度，从而有效控制了裂纹的产生。
[0015]本发明还提供一种细晶粒近α高温钛合金，由上述细晶粒近α高温钛合金的制备方法制备得到。
[0016]相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)通过调整控制SLM加工成型过程中的激光功率、扫描速度和扫描间距，结合合理有效的热处理工艺，得到致密度优于99.95%的合金材料，显著提高了其力学性能、热稳定性和抗蠕变性能;
(2)在Ti60合金粉末中添加微量的B元素和Fe元素，可以提供异质形核点，促进晶粒细化，减少柱状晶粒的形成，有助于降低合金材料的各向异性，提高其在不同方向上的均匀性能，对于提高部件的整体性能和可靠性至关重要;
(3)通过合理的SLM加工工艺，可以减少织构的形成，显著细化晶粒，有助于降低材料的各向异性，避免成形过程中的裂纹和孔隙缺陷，确保了每层熔道间以及层间的良好冶金结合，显著提高了合金材料的致密度，从而提高了材料的力学性能，增强了其在苛刻环境下的应用潜力;
(4)结合去应力热处理、固溶处理和时效处理，可以优化微观组织，得到均匀的网篮组织，显著提高合金的强塑性匹配、热稳定性和抗蠕变性能，降低因表面氧化而导致性能退化的可能;
(5)通过去应力热处理、固溶处理和时效处理的温度，避免因温度梯度过大，导致内部残余拉应力超过合金强度，从而有效控制了裂纹的产生。
附图说明
[0017]图1为实施例1所得细晶粒近α高温钛合金的组织照片;
图2为实施例2所得细晶粒近α高温钛合金的组织照片。
具体实施方式
[0018]下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开的内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
[0019]以下实施例和对比例中所用的亚洲
新材料有限公司提供的Ti60合金粉末，由以下质量百分比的组分组成：Al 5.5%、Mo 0.7%、Sn 3.7%、Zr 3.2%、Si 0.4%、Ta 1.1%、Nb 0.5%、C 0.05%，余量为Ti。
实施例1
[0020]本实施例细晶粒近α高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)对Ti60合金粉末在80℃烘8h去除水分，然后使用筛分设备清除粉末中的杂质和大颗粒;
(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉、其质量0.01%的铁粉均匀混合，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至340W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工;
(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理，去应力处理是在850℃保温2h，固溶处理是在1035℃保温2h，时效处理是在700℃保温5h，所得细晶粒近α高温钛合金的组织结构如图1所示，可以看到大量细长的α相，部分规整排列。
实施例2
[0021]本实施例细晶粒近α高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钛合金粉末在80℃烘8h去除水分，然后使用筛分设备清除粉末中的杂质和大颗粒;
(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.015%的硼粉、其质量0.01%的铁粉均匀混合以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至360W，扫描速度设定为1360mm/s，扫描间距为0.10mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工;
(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理，去应力处理是在900℃保温2h，固溶处理是在1050℃保温2h，时效处理是在750℃保温5h，所得细晶粒近α高温钛合金的组织结构如图2所示，可以看到大量细长的α相，部分规整排列。
实施例3
[0022]本实施例细晶粒近α高温钛合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)对钛合金粉末在80℃烘8h去除水分，然后使用筛分设备清除粉末中的杂质和大颗粒;
(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉、其质量0.015%的铁粉均匀混合，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至350W，扫描速度设定为1300mm/s，扫描间距为0.11mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工;
(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理，去应力处理是在930℃保温2h，固溶处理是在1050℃保温2h，时效处理是在800℃保温5h。
实施例4
[0023]本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至355W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
实施例5
[0024]本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的铁粉混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至355W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为0°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
实施例6
[0025]本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉、其质量0.05%的铁粉混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至355W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
实施例7
[0026]本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.50%的硼粉、其质量0.01%的铁粉混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至355W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
实施例8
[0027]本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理、固溶处理和时效处理，去应力处理是在800℃保温2h，固溶处理是在1100℃保温2h，时效处理是在700℃保温5h。
对比例1
[0028]本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉、其质量0.01%的铁粉均匀混合混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至200W，扫描速度设定为800mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为0°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
对比例2
[0029]本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(2)将筛分得到的钛合金粉末和其质量0.01%的硼粉和0.01%的铁粉均匀混合混合均匀，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至400W，扫描速度设定为1600mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为0°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
对比例3
[0030]本对比例与实施例1的区别仅在于(2)将筛分得到的钛合金粉末，以50μm的层厚填充到SLM加工设备的构建平台上，将激光功率调整至355W，扫描速度设定为1350mm/s，扫描间距为0.09mm，激光光斑大小为90m，扫描旋转角度为67°，控制熔池的形状和能量分布，开始SLM加工。
对比例4
[0031]本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理和固溶处理，去应力处理是在850℃保温2h，固溶处理是在1035℃保温2h。
对比例5
[0032]本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(3)对SLM加工所得产品依次进行去应力处理和时效处理，去应力处理是在850℃保温2h，时效处理是在700℃保温5h。
对比例6
[0033]本对比例与实施例1的区别仅在于步骤(3)对SLM加工所得产品依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理是在1035℃保温2h，时效处理是在700℃保温5h。
[0034]针对以上实施例和对比例所得钛合金进行力学性能和抗蠕变性能测试，高温抗拉强度和高温延伸率是在600℃环境下进行测试，蠕变变形量是在(参考GB/T 2039)600℃/400MPa/30min的条件进行评估，测试结果如表1所示。
[0035]表1 钛合金性能数据表
[0036]实施例1-3通过合适的SLM加工成型参数和有效的热处理工艺，得到致密度高于99.80%的合金材料，表现出优异的其力学性能、热稳定性和抗蠕变性能;实施例4合金粉末包含钛合金粉末和硼粉、不添加铁粉和实施例5合金粉末包含钛合金粉末和铁粉、不添加硼粉，晶粒细化的效果变差，合金材料的均匀性较低，力学性能都变差;实施例6添加钛合金粉末质量0.01%的硼粉和质量0.05%的铁粉和实施例7添加钛合金粉末质量0.50%的硼粉和质量0.01%的铁粉，在合金材料体系中的分散均匀性降低，导致合金材料内部组分的均匀性较低，力学性能和抗蠕变性能也都变差;实施例8固溶处理的温度与去应力处理的温度差异较大，内部残余拉应力较大，使得合金材料性能变差;对比例1中SLM加工时的激光功率和扫描速度较小，合金材料的能量密度变小，致密度降低，引起合金材料性能变差;对比例2中SLM加工时的激光功率和扫描速度较大，能量密度低，材料孔隙率大，力学性能差;对比例3中只使用钛合金粉末进行SLM加工，不添加铁粉和硼粉，晶粒细化的效果变差，合金材料的均匀性较低，各向异性程度增大，力学性能变差;对比例4只进行去应力处理和固溶处理、不进行时效处理，不利于合金晶体的进一步形核和生长，所得钛合金性能变差;对比例5只进行去应力处理和时效处理，不进行固溶处理，合金材料内部相分布不均，组织结构有异相，使得所得钛合金性能变差;对比例6只进行固溶处理和时效处理，不进行去应力处理，不能有效消除制造过程中产生的残余应力，使得合金因内应力过大，引起性能的下降。
[0037]最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
说明书附图(2)
声明：
“细晶粒近α高温钛合金的制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所, 宁波杭州湾新材料研究院, 宁波中科祥龙轻量化科技有限公司
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