[发明专利]一种通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法

说明书

本发明涉及钛合金材料加工制备领域，具体是一种通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，本发明提出了采用激光增材制造技术制备出快速凝固的TA7钛合金，利用材料内部储存的大量畸变能，后通过合适的热处理使合金发生静态再结晶实现晶粒细化，本发明涉及的钛合金的化学成分为：Al 2.5～6.5％，Sn 0.5～4％，Ti余量(按重量百分比计)。首先按照合金成分制备出预合金粉末；然后采用激光选区熔化成形技术制备成钛合金材料；最后将钛合金材料置于真空热处理炉内在700～1000℃温度范围保温1～4h后炉冷，经过充分静态再结晶后得到细小等轴晶的钛合金材料。采用本发明可以研制出具有细小等轴晶的复杂结构钛合金构件，大幅度提升构件的疲劳、断裂韧性等性能。

技术领域：

本发明涉及增材制造钛合金材料加工制备领域，具体是通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法。

背景技术：

钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性良好等特点，被广泛应用于船舶、石油化工、航空航天及医疗领域。近几年随着航空航天相关技术的发展，对材料的要求越来越高，尤其是对可以起到明显减重作用的轻质结构材料的强韧性匹配要求越来越苛刻。同时，基于新型装备性能提升的需求，新型高性能器件的结构和形状的复杂性也越来越高。3D打印技术是一种利用高能束对金属粉末或者丝材逐点扫描熔化、逐线扫描搭接和逐层扫描堆积成形的金属材料加工技术，该技术可以实现复杂结构和形状的直接成形，但是在加工过程中熔化的金属以高达10⁴～10⁷K/s的冷却速率凝固，导致成形金属材料的组织为非平衡超快速凝固组织，合金强度高、韧性低，显著影响构件的性能稳定性。由于该工艺过程温度梯度的作用导致制备的合金沿打印方向上呈现柱状晶的特征，致使合金在呈现出严重的各向异性，影响3D打印样品的性能。

对于复杂结构和形状的钛合金构件而言，无法通过常规热加工工艺来提升合金的组织与性能，组织均匀性是实现构件的性能稳定可靠的前提，也是高性能装备的迫切需求，因此具有细小等轴晶组织的复杂结构钛合金构件成形技术成为航空航天领域亟需解决的一项关键技术。迫切需求。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，首先按照合金成分制备出预合金粉末；然后采用激光选区熔化成形技术制备成钛合金材料；最后将钛合金材料置于真空热处理炉内在700～1000℃温度范围保温1～4h后炉冷，经过充分静态再结晶后得到细小等轴晶的钛合金材料。本发明可以实现复杂构件组织均匀性的同时也提升了合金的韧性，对实现材料的强韧性匹配、解决航空航天领域关重构件的需求具有重要的意义。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是：

一种通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，按重量百分比计，该钛合金的化学成分为：Al 2.5～6.5％，Sn 0.5～4％，余量为Ti；首先，通过无坩埚感应熔化气体雾化法制备得到预合金粉末，预合金粉末通过激光选区熔化3D打印的方式制备钛合金材料；然后，将钛合金材料置于真空热处理炉内，在真空环境下升温到700～1000℃，在该温度下保温1～4h后，自然炉冷到室温出炉。

所述的通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，Al元素的优选含量范围为4.0～6.0wt.％。

所述的通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，Sn元素的优选含量范围为1.5～3.5wt.％。

所述的通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，激光选区熔化3D打印的方式制备的钛合金材料是实体样品、多孔样品或复杂结构的构件。

所述的通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，热处理后的钛合金材料横截面和纵截面均为等轴晶组织。

所述的通过3D打印制备细小等轴晶钛合金的方法，Ti元素的原材料为海绵钛，Al元素的原材料为纯铝，Sn元素的原材料为TiSn合金。