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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流专利说明书写作范本.精品文档. 说 明 书一种900MPa强度级的熔丝沉积快速成形构件用+型钛合金丝材技术领域：本发明属于钛基合金的技术领域，具体涉及到一种专用于900MPa强度级别熔丝沉积快速成形构件的钛合金丝材。背景技术 为减轻飞机结构重量，采用高比强度的钛合金材料是一种非常理想的选择。飞机用大型复杂钛合金结构承受较大载荷，对性能要求较高。传统的大型复杂钛合金结构有锻造和铸造两种典型制备方法，相对于铸件，锻造零部件（锻件）综合力学性能尤其是强度塑性具有明显优势，但存在毛坯尺寸大、性能均匀性难以保证、热加工周期长、材料利用率（只有3%5%）
2、极低和成本高的缺点；铸造的优点是材料利用率比锻件高，但存在强度、塑性等力学性能比锻件有明显降低、因构件尺寸效应带来的显微组织及力学性能的均匀性控制难题，导致多数关键承力结构不能采用铸造工艺，应用范围受到很大限制。锻造和铸造两种制备方法均需要工装模具，对设备、场地要求严格，进一步延长了供货周期、提高了成本。熔丝沉积快速成形是90年代以后兴起的一项新技术，可从三维CAD模型直接制造零件，无须模具，制件机械加工量小，成形速度和成形质量都比较高，可以大大加快设计验证迭代循环，实现敏捷制造，优势明显。熔丝沉积快速成形技术采用微滴组装的办法，对零件尺寸不敏感，大尺寸零件的性能一致性较好，因此也是直接制造超
3、大型钛合金结构的理想解决方案。然而，由于采用了与传统制备方法完全不同的工艺，熔丝沉积快速成形钛合金材料的显微组织与锻造显微组织完全不同，是一种近平衡态快速凝固组织。因为材料的性能取决于合金成分和显微组织，在显微组织发生重大改变的情况下，要获得相同或相近的力学性能，必须对现有材料的合金成分进行创造性调整。发明内容本发明的目的是研究一种适合于熔丝沉积快速成形用技术的钛合金丝材，采用这种钛合金丝材，可以使熔丝沉积快速成形构件的抗拉强度达到900MPa以上，延伸率不低于6%，从而满足该强度级别结构件的性能需要。钛合金的强化方式有固溶强化、析出相强化、位错强化等多种强化手段，但对于熔丝快速成形工艺，由于
4、没有热机械加工过程，因此位错密度较低，位错强化效果也不会太明显；同样由于熔丝快速成形工艺特点，晶粒比较粗大，采用析出相如2相、B化物等强化，会造成材料变形过程中的应力和应变集中，导致塑性明显降低，因此从材料强韧性匹配角度，优先选择固溶强化方案。本发明研究者经过多年的研究积累发现，虽然钛合金中的某些元素如Al对材料的强化效果很明显，但由于这些元素与Ti的原子结合能为负且绝对值较大，具有较强的有序化倾向，导致材料塑性和韧性的明显降低，因此，从强韧化匹配角度考虑，尽量避免采用单一元素强化。从原子占位角度，钛合金中的合金化元素分为置换元素和间隙元素；根据对钛合金相变点的影响，可以分为稳定元素和稳定元素
5、。本发明提出一种适用于熔丝沉积快速成形用技术的+型钛合金丝材，采用合金元素Al和间隙元素强化相，采用合金元素V和间隙元素Fe强化相，其特征在于：所说焊丝的成分及重量百分比为Al: 6.2%7.5%; V: 4.0%5.5%; Fe: 0.05%0.3%; O：0.120.21%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。目前市场上有两种与本发明合金成分相类似的两种钛合金丝材，材料牌号分别为TC4和TC4ELI，见GB/T 3623-2007。这两种丝材的用途重要分两类，一类为结构丝材，主要用作结构件和紧固件；另一类为焊丝，主要用作电极材料和焊接材料的焊丝，成分见表1，为方便比较，将本发明丝材成分列于表2
6、。表1 GB/T 3623-2007中两种焊丝成分牌号主要成分杂质元素，不大于AlVFeCONHTC45.56.753.54.50.250.050.180.050.012TC4ELI5.56.53.54.50.200.030.030.110.0120.005表2 本发明丝材的合金成分 本案合金主要成分杂质元素，不大于AlVFeOCNHTC4G6.27.54.05.30.050.300.120.210.050.050.012可以看出本发明的丝材是一种Ti-Al-V-Fe-O系五元钛合金，将传统杂质元素O和Fe作为合金化元素加入，并对其加入量进行严格限制，Al、V、Fe和O四种合金元素的特定组合使
7、材料相组成基本不变的前提下，和两种相都得到有效强化，从而使通过熔丝堆积快速成形构件强度达到900MPa，同时保持了6%以上的延伸率。本发明的创新点是针对熔丝堆积快速成形技术特点，充分利用了多元复合强化及合金化元素的不同强化机制，在常规合金元素潜能得到充分发掘的前提下，将钛合金中通常作为杂质元素来控制的Fe和O作为微合金化元素加入，在熔丝堆积快速成形这种特定的工艺技术条件下，材料性能达到特定熔丝堆积钛合金结构件的使用要求。具体实施方式本发明将通过以下几个优选实施例来做进一步详述，但本发明并不局限于下述几个实施例。表3 实施例合金成分，wt.%AlVFeOTi实施例16.44.50.040.11余
8、实施例27.04.50.030.10余实施例37.54.50.030.11余实施例46.54.50.270.08余实施例56.54.50.500.09余实施例66.54.50.230.16余实施例76.124.50.050.21余实施例86.444.130.040.17余实施例96.35.20.050.15余对比例16.34.150.040.14余对比例26.24.200.040.09余本发明成分范围内钛合金的冶炼工艺如下：原材料采用0 2级海绵钛，合金元素V 以Al-V中间合金加入，Al元素不足部分由纯Al加入；Fe以纯Fe粉或Al-V-Fe中间合金加入，合金元素O以TiO2加入。中间合金与
9、海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，放入真空自耗电弧炉中熔炼23次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。热加工工艺流程为：铸锭开坯水压机或锻锤拔长棒材轧制或精煅816规格棒材轧制表面修磨拉丝或旋锻表面处理，制成成品丝材。本发明焊丝规格可在1.03.0mm之间。采用2.0的丝材，用电子束熔丝堆积快速成形工艺得到长300mm、宽160mm、高90mm的实验堆积料，经/+相变点下20/2h固溶、空冷+570/4h、空冷热处理后，采用线切割切取12.3的棒加工标准拉伸试样，得到拉伸性能见表4。由表4实施例13可见，当O含量在0.1wt.%左右时，增
10、加Al含量到7.0%可明显提高材料强度，延伸率降低不明显；当Al含量达到7.5%时，强度增加不明显，但延伸率有比较明显降低；由实施例1、4和5可以看到，当O含量在0.1wt.%左右时，增加Fe到0.27%时材料强度有明显提高，但继续增加Fe对强度和/或塑性改善不明显。表4 接头拉伸性能实施例拉伸性能拉伸取样方向Rm , MPa5, %实施例185511.5X方向81013.0Z方向实施例28878.5X方向83510.5Z方向实施例38905.3X方向8548.2Z方向实施例48848.7X方向84711.2Z方向实施例58868.3X方向8379.3Z方向实施例69357.5X方向89111
11、.3Z方向实施例79226.1X方向8749.3Z方向实施例887412.0X方向83715.0Z方向实施例99168.6X方向8849.6Z方向对比例1TC484510.5X方向79012.7Z方向对比例2TC4ELI78512.0X方向70514.3Z方向由实施例6可以看到，在实施例1基础上，当Fe、O含量同时增加到0.23%和0.16%时，快速成形材料强度可达到935MPa。由实施例7可以看到，在实施例1基础上将O含量提高到0.21%，将Al含量降低到6.1%，材料强度可达到922MPa，但塑性同比降低。由实施例8可以看到，在实施例6基础上降低V含量到4.13、降低Fe含量到0.04，材
12、料X向强度降低60MPa左右。由实施例9可以看到，在实施例8基础上增加V到5.2%，材料强度可恢复到与实施例7相当的水平，但塑性略有改善。采用市场上现有的TC4和TC4ELI两种典型成分钛合金丝材，见对比例1和2，经与实施例19相同工艺的电子束快速成形和热处理后，堆积材料强度分别可达到845MPa和785MPa，但塑性较好。从以上实施例可以看出，采用本发明的钛合金丝材，由电子束熔丝工艺堆积成形后，堆积材料强度可达到900MPa 以上；根据不同的合金成分配比，比对比例强度高出30 90MPa。本发明焊丝可采用常规的工艺生产，工艺简单，成材率高，因此成本较低。该焊丝主要适用于对强度要求较高的高能束流熔丝堆积快速成形中大型结构件。随着高能束流熔丝快速成形技术的推广应用，该丝材的应用前景比较广阔，有望取得可观的社会和经济效益。