一种3D打印船用钛合金及制备方法技术

本发明专利技术属于钛合金材料领域，公开了一种3D打印船用钛合金，其成分为：Al 4.0～8.0%，Mo 0.3～2.0%，Nb 1.0～4.0%，Zr 0.5～3.0%，Y 0.01～0.03%，O 0.03～0.12%，余量为Ti。其制备方法为：按钛合金成分组成进行配料，将原料进行熔炼、铸锭，铸锭经开坯、锻造后加工成棒材；将棒材加工成粉末，粉末经筛分得到3D打印船用钛合金粉末；以3D打印船用钛合金粉末为原料，采用3D打印技术制备钛合金构件。本发明专利技术3D打印船用钛合金的强度和韧性匹配良好，具有优异的3D打印激光成型性能，可成通过3D打印制备成复杂的钛合金构件；同时还具有优异的耐海水腐蚀性能和焊接性能。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印船用钛合金及制备方法
本专利技术涉及海洋工程及舰船装备用钛合金材料领域，尤其是涉及一种3D打印船用钛合金及制备方法。
技术介绍
钛及钛合金具有重量轻、耐腐蚀、耐冲刷和耐压性好等优点，特别是在海水和酸性烃类化合物中具有良好的耐蚀性，是海洋工程与舰船装备的优选材料，因此，钛合金被誉为“海洋金属”。随着我国海洋事业和海军装备的发展，海洋工程及舰船装备对钛合金的需求不断增加，对材料的性能和质量也提出了更高的要求，同时钛合金件的结构也越来越复杂。对于高性能复杂钛合金结构件，采用锻造工艺，材料性能好，但成型难度大；采用传统铸造工艺，钛合金材料的性能和表面质量较差。可见，采用传统加工工艺不能满足海洋工程及舰船装备领域对高性能复杂钛合金构件的使用要求。如钛合金通海阀的阀体结构复杂，特别是通海阀流道非常复杂，无法采用锻造工艺成型；采用铸造工艺，铸造流道精度由模具、制芯精度及浇注和凝固过程铸件的收缩共同形成的一项综合偏差，阀体流道精度和表面质量较差，且流道内部无法机加工，从而会导致能量损失和产生流体噪声，降低新型潜艇的隐身性能，不能满足使用要求。3D打印技术作为一项新技术，可以直接成形，尺寸精度高，表面质量好，且性能优异，可实现高性能复杂钛合金构件的制造，满足海洋工程及舰船装备的需求。目前3D打印钛合金材料的研究主要集中于航空航天、医用材料等领域的研究，3D打印船用钛合金研究非常少。由于海洋工程和舰船装备构件受海水冲刷、风浪拍击以及高温、高湿、高盐海水及大气腐蚀的特殊使用工况，不仅要求3D打印钛合金材料具有优异的强度和韧性，特别是冲击韧性，而且要求材料具有良好的耐腐蚀性能和焊接性能等。因此，针对海洋工程及舰船装备使用工况，开发一种3D打印船用钛合金材料就成了急需解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题和不足，本专利技术的目的旨在提供一种3D打印船用钛合金材料及制备方法。为实现专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术首先提供了一种3D打印船用钛合金，以质量百分含量表示，所述3D打印船用钛合金由以下成分组成Al4.0％～8.0％，Mo0.3％～2.0％，Nb1.0％～4.0％，Zr0.5％～3.0％，Y0.01％～0.03％，O0.03％～0.12％，余量为Ti及不可避免的杂质。根据上述的3D打印船用钛合金，优选地，以质量百分含量表示，所述3D打印船用钛合金由以下成分组成：Al4.0％～6.6％，Mo1.0％～2.0％，Nb2.0％～3.0％，Zr1.5％～2.5％，Y0.015％～0.025％，O0.03％～0.12％，余量为Ti及不可避免的杂质。根据上述的3D打印船用钛合金，优选地，所述杂质元素为C、N、H，钛合金中杂质元素的质量百分含量为：C≤0.08％、N≤0.03％、H≤0.015％。本专利技术还提供了一种3D打印船用钛合金粉末的制备方法，包括以下步骤：(1)成分配料：按上述的钛合金成分组成进行配料；(2)熔炼铸锭：将步骤(1)配制的钛合金原料进行熔炼、铸锭，得到钛合金铸锭；(3)制备棒材：将步骤(2)制备的钛合金铸锭在Tβ+150℃进行开坯，然后经锻造处理后加工成棒材，其中，Tβ表示钛合金的相变点温度；(4)制备钛合金粉末：采用旋转电极法将步骤(3)制备的棒材加工成粉末，粉末经筛分后得到3D打印船用钛合金粉末。根据上述3D打印船用钛合金粉末的制备方法，优选地，步骤(4)中所述旋转电极法的工艺参数为：电流为1.6～1.8KA，电压为48～56V，电极杆转速为18000转/min，氩气和氦气的体积比为1:4。根据上述3D打印船用钛合金粉末的制备方法，优选地，步骤(4)中所述3D打印船用钛合金粉末的粒度为23μm～56μm。更加优选地，采用粉末静电处理技术降低3D打印船用钛合金粉末中夹杂物数量。根据上述3D打印船用钛合金粉末的制备方法，优选地，步骤(1)中钼元素和铌元素以铝钼和铝铌中间合金的形式加入，铝元素和锆元素以纯金属的形式加入。根据上述3D打印船用钛合金粉末的制备方法，优选地，步骤(2)中采用真空自耗电弧熔炼技术对钛合金原料进行熔炼，预熔真空度为10-2Pa。根据上述3D打印船用钛合金粉末的制备方法，优选地，步骤(3)中所述锻造是将钛合金铸锭在α+β相区锻造，锻造火次6～9次；所述棒材的规格为Φ60mm×1000mm。根据上述3D打印船用钛合金的制备方法，优选地，步骤(2)中，为保证合金成分均匀，熔炼次数≥3次，熔炼结束后，熔炼液经冷却后形成铸锭，铸锭在惰性气体保护下冷却至一定温度后出炉，然后将铸锭车皮、去缩口。本专利技术还提供了一种采用3D打印制备钛合金构件的方法，包括以下步骤：a、以上述制备方法制备的3D打印船用钛合金粉末作为原料，采用激光3D打印技术制备钛合金构件；其中，以质量百分含量表示，所述3D打印用钛合金粉末材料由以下成分组成：Al4.0％～8.0％，Mo0.3％～2.0％，Nb1.0％～4.0％，Zr0.5％～3.0％，Y0.01％～0.03％，O0.03％～0.12％，余量为Ti及不可避免的杂质；b、将步骤a制备的钛合金构件在(Tβ-50)℃～(Tβ-30)℃下固溶处理60min～120min，然后在550℃～650℃退火处理30min～60min，其中Tβ表示钛合金的相变点温度。根据上述的方法，优选地，所述激光3D打印的工艺参数为：激光功率为200W～300W，扫描速度为600mm/s～1500mm/s，成形腔内氧含量低于800ppm，激光3D打印全程通入高纯Ar保护。本专利技术3D打印船用钛合金严格控制各元素的含量，其中，Al元素主要溶于α固溶体，而少量溶于β固溶体，具有显著的固溶强化效果，在保证塑性的条件下，提高了合金的强度，合金具有良好的冷热加工性能；而且，铝比钛轻，加入后可提高合金比强度；若Al元素含量过高，容易形成Ti3Al脆性相，降低材料的机械性能。Mo和Nb相似，为β稳定元素，主要起固溶强化作用；同时Mo元素的加入可提高钛合金的耐海水腐蚀性能，满足船用钛合金的需求。Zr为中性元素，在α和β钛中均能形成无限固溶体，起到固溶强化作用。稀土Y元素加入可以细化3D打印钛合金晶粒组织，显著提高3D打印钛合金构件的冲击韧性；同时，Y元素可作为焊接填料金属孕育剂，改善了焊接性能，从而提高3D打印激光成型性能。与现有技术相比，本专利技术取得的积极有益效果为：(1)本专利技术提供的3D打印船用钛合金具有良好的力学性能，而且钛合金的强度和韧性匹配良好，具有优异的3D打印激光成型性能，可成通过3D打印制备成复杂的钛合金构件，其制备的3D打印钛合金构件也具有良好的力学性能，3D打印钛合金构件的具体力学性能参数如下：抗拉强度Rm≥860MPa、屈服强度Rp0.2≥740MPa、延伸率A≥10％、冲击韧性KV2≥47J；同时，本专利技术的钛合金还具有优异的耐海水腐蚀性能和焊接性能，利用该钛合金制备的3D打印钛合金构件的应力腐蚀断裂韧性KISCC≥70本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印船用钛合金，其特征在于，以质量百分含量表示，所述3D打印船用钛合金由以下成分组成：Al 4.0%～8.0%，Mo 0.3%～2.0%，Nb 1.0%～4.0%，Zr 0.5%～3.0%，Y0.01%～0.03%，O 0.03%～0.12%，余量为Ti及不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印船用钛合金，其特征在于，以质量百分含量表示，所述3D打印船用钛合金由以下成分组成：Al4.0%～8.0%，Mo0.3%～2.0%，Nb1.0%～4.0%，Zr0.5%～3.0%，Y0.01%～0.03%，O0.03%～0.12%，余量为Ti及不可避免的杂质。


2.根据权利要求1所述的3D打印船用钛合金，其特征在于，以质量百分含量表示，所述3D打印船用钛合金由以下成分组成：Al4.0%～6.6%，Mo1.0%～2.0%，Nb2.0%～3.0%，Zr1.5%～2.5%，Y0.015%～0.025%，O0.03%～0.12%，余量为Ti及不可避免的杂质。


3.根据权利要求1或2所述的3D打印船用钛合金，其特征在于，所述杂质元素为C、N、H，钛合金中杂质元素的质量百分含量为：C≤0.08%、N≤0.03%、H≤0.015%。


4.一种3D打印船用钛合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）成分配料：按权利要求1所述的钛合金成分组成进行配料；
（2）熔炼铸锭：将步骤（1）配制的钛合金原料进行熔炼、铸锭，得到钛合金铸锭；
（3）制备棒材：将步骤（2）制备的钛合金铸锭在Tβ+150℃进行开坯，然后经锻造处理后加工成棒材，其中，Tβ表示钛合金的相变点温度；
（4）制备钛合金粉末：采用旋转电极法将步骤（3）制备的棒材加工成粉末，粉末经筛分后得到3D打印船用钛合金粉末。


5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨治军，于卫新，丁鹏，马鹏飞，郎少庭，
申请(专利权)人：新乡学院，
类型：发明
国别省市：河南;41