[发明专利]一种增材制造高强韧β钛合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种增材制造高强韧β钛合金材料，涉及金属材料增材制造领域，按照质量百分比包含如下组分：Al 2.0～5.0％、Mo 4.0～7.0％、Cr 5.0～8.0％、V 3.0～6.0％、Ni 1.0～3.0％、Nb 1.0～3.0％、Zr 0.1～1.0％、B 0.05‑0.25％、余量为Ti。所述增材制造高强韧β钛合金打印态抗拉强度≥900MPa，总延伸率18～20％；所述增材制造高强韧β钛合金热处理后抗拉强度为1180～1540MPa,总延伸率3.2～12％。本发明还公开了一种增材制造高强韧β钛合金材料的方法，包括3D打印步骤获得打印态高强韧β钛合金材料和后续固溶时效热处理步骤获得含有α+β双相组织的高强韧β钛合金材料。本发明通过调整合金元素含量，并添加一定量B元素，结合3D打印和热处理，获得强韧匹配的高强韧β钛合金材料。该制备方法简单，工艺窗口大，制备的材料具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造领域，尤其涉及一种增材制造高强韧β钛合金材料及其制备方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性优异等优点，广泛应用在航空航天、化学工业、医药工程等领域。近年来随着航空飞行器越来越高的长寿命和轻量化的要求，这也对钛合金等轻质结构件的强韧性提出了越来越极端的要求。因此，研发能够替代超高强度钢并应用于航空领域的大型高强钛合金构件得到越来越多的重视。目前国产牌号高强β钛合金固溶时效态室温强度大都在1050-1300MPa水平，且对于高强钛合金的传统制备通常采用锻造的方式，但存在一些问题，如制备周期长，加工成本高，合金成分中β元素含量高易形成偏析如β斑。

激光增材制造技术具有快速近净成形，柔性化程度高，无需大量后续机械加工的优势，其极高的温度梯度和超快的冷却速率，可以有效细化晶粒，同时能够显著增大元素固溶度和减弱偏析，有利于通过后续热处理调控实现材料的高强度。目前激光增材制造高强钛合金研究大多都局限在TC4、TC21、TB6等体系的钛合金粉末，但其凝固组织多为粗大的柱状晶和柱状等轴混合晶粒，容易导致力学性能各向异性。TB6容易在激光快冷过程中形成无热ω相，在后续激光热循环作用下形成超细α相导致材料脆化。马氏体强化钛合金通过热处理提升性能有限，通过提升合金钼当量获得亚稳β相，并通过后续热处理调控析出相来改善钛合金的强韧性。因此开发适用于增材制造高强韧β钛合金材料制备至关重要。通常采用合金化方式提高钛合金性能，其中Al、Mo、Cr、V、Ni、Zr为钛合金中常用的强化元素，Nb能改善钛合金的韧性，B能显著增大凝固过程的成分过冷。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种增材制造高强韧β钛合金材料及其制备方法，通过对合金元素含量的调整，并结合增材制造工艺的优化制备出强韧匹配的高强韧β钛合金材料，以克服现有技术的不足，满足航空航天等领域应用的需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决传统方法制备高强β钛合金存在的β元素偏析、晶粒粗大、变形加工成本高和制备周期长的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种增材制造高强韧β钛合金材料，所述高强韧β钛合金材料按照质量百分比包含如下组分：Al 2.0～5.0％、Mo 4.0～7.0％、Cr 5.0～8.0％、V 3.0～6.0％、Ni 1.0～3.0％、Nb 1.0～3.0％、Zr 0.1～1.0％、B 0.05-0.25％，余量为Ti；所述增材制造高强韧β钛合金打印态抗拉强度≥900MPa，总延伸率18～20％，力学性能无明显各向异性；所述增材制造高强韧β钛合金热处理后抗拉强度1180～1540MPa,总延伸率3.2～12％。

优选地，所述高强韧β钛合金材料由以下质量百分含量的成分组成：Al 2.5～4.5％、Mo 4.5～6.0％、Cr 5.5～7.5％、V 4.5～5.5％、Ni 1.0～2.0％、Nb 1.0～3.0％、Zr0.2～0.8％、B 0.05-0.15％，余量为Ti。