一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，包括以下步骤：一、将钛合金原料混合，得到混合料；二、将混合料压制，得到电极块；三、将电极块中频感应熔炼，得到圆柱坯料；四、将圆柱坯料打磨、倒角和焊接，得到焊接圆柱坯料；五、将焊接圆柱坯料真空自耗电弧熔炼，得到圆柱铸锭；六、将圆柱铸锭锻造，得到锻造棒；七、将锻造棒高温晶化和低温退火，得到高强钛合金棒。本发明专利技术通过中频感应熔炼配合真空自耗电弧熔炼和高温晶化，使高强钛合金棒的微观组织中形成独特的纳米级层次结构，保证了高强钛合金棒不会出现β斑，提高了高强钛合金棒的成分均匀性和抗拉强度，从而保证了高强钛合金棒满足增材制造制粉用的强度要求。

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法
本专利技术属于金属材料加工
，具体涉及一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法。
技术介绍
金属钛的重量大约只有低碳钢的45％，由于比强度高，抗腐蚀性能优异等特点被广泛应用在各个工业领域。金属钛经常与一些其他的金属混合，以此进一步提高其强度。早在50年前，金属学家们就开始将钛与价格更为低廉的铁、钒、铝金属混合，以此进一步提高强度，经过科学家们长期的研究和应用实验，得到了具有良好的抗腐蚀性、较高的比强度和良好的耐疲劳性能的Ti-1Al-8V-5Fe合金(以下简称Ti185)，使其在航空航天、医疗器械和汽车等行业有着广泛的应用。就像研究人员之一的Devaraj说的那样，我们惊奇的发现这种钛合金能够达到如此高的强度。但在以后的生产和应用中发现，所制得的Ti185合金强度却时高时低，分析研究发现：由于其具有较高的Fe含量，采用常规的真空自耗电弧熔炼，尽管经多次熔炼，也常常不可避免的产生Fe元素的偏析，形成β斑，虽采用多次熔炼和"热变形加工"等方式来达到成分的相对均匀化，防止成分偏析，但电弧熔炼是端部部分熔炼，并很快凝固，整体成分难以完全均匀化，造成各批次的性能总是很不稳定，产品质量参差不齐而限制了其广泛的应用。针对以上问题，国内外专家学者分别选用了饱和氢化钛或不饱和氢化钛粉末、中间合金粉末等各种粉末，采用粉末冶金的方法替代了电弧熔炼的不全部混合熔融态钛金属，制备出了无β斑的Ti185粉末冶金材料，如国内的四川大学高思宇等人用低成本的Fe-80V中间合金代替了单质V和Fe采用粉末冶金制备出了无β斑的Ti185粉末冶金材料，其抗拉强度可达840±20MPa。然而，在随后的报道，不断的爆料有关Ti185科研创新报道：研究人员们在对粉末冶金材料处理过程中发现，为了调节粉末冶金件的使用性能，需要进行热处理，发现高温热处理后，材料微观组织中均出现了纳米和微米沉淀区域即在β相基体上出现了聚集的α相，科研人员们进一步改善这种烧结钛合金，进行了在较低温度热处理之前通过使用高温预处理，以期望改善其材料性能。然而这仅仅是在研究层次上，仅可少量应用于航空航天等尖端领域，如近期美国将这种粉末冶金方法制备的Ti185合金棒经过热处理后拉丝，利用这种高强度丝材进行3D打印成飞机支架配件，对于汽车等民用领域的大量供货，然而粉末冶金方法不能一次性的规模化生产，而且不同批次，或者是同批次的不同件，因压制、烧结过程不可避免的造成材料或器件的性能不统一，不利于工厂的规模化和质量的稳定控制。随着电子束或激光3D打印技术的出现，这种高强度合金再次引起了人们的广泛关注和投入，3D打印技术需要具有流动性好的高球形度粉末，而具有高球形度粉末的制备主要用旋转电极法制取，而旋转电极法制取Ti185球形粉末需要将Ti185加工成具有适用于高速旋转的、成分均匀的、无β斑的Ti185棒材。而Ti185棒材的加工如前面所述的由于其具有较高的Fe含量，采用常规的真空自耗电弧熔炼和热压力加工方法，目前市场上的Ti185棒还没有彻底解决Fe元素的偏析，出现β斑的问题，高速旋转棒常常出现从这个缺陷处断裂飞出，造成安全事故，经对断裂处的高倍扫描发现其断裂处发现有大量的斑点，面扫描成分为Fe，即是Fe的偏析相，形成的β斑。研究人员和从事压力加工人员虽然经过努力，减少或消除β斑，但不是每批次都能避免β斑，而且同批次有些有β斑有些没有，各批次或同批次的性能总是很不稳定，造成了Ti185合金棒的性能不稳定。针对以上问题，需要提供一种稳定的增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法。该方法通过控制原料的组合和粒度、中频感应熔炼、真空自耗电弧熔炼、锻造和高温晶化的过程及参数，使高强钛合金棒的微观组织中无β斑，保证了高强钛合金棒成分均匀并具有优异的抗拉强度，将制备的高强钛合金棒用于增材制造制粉时，在高速旋转时稳定运行，不会因β斑等缺陷和强度低而发生断裂，实现了质量稳定的增材制造制粉用高强钛合金棒的规模化生产。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将钛合金原料进行混合，得到混合料；步骤二、将步骤一中得到的混合料装入到模具中进行压制，得到电极块；步骤三、将步骤二中得到的电极块进行中频感应熔炼，得到圆柱坯料；步骤四、将步骤三中得到的圆柱坯料依次进行打磨、倒角和焊接，得到焊接圆柱坯料；步骤五、将步骤四中得到的焊接圆柱坯料进行真空自耗电弧熔炼，得到圆柱铸锭；步骤六、将步骤五中得到的圆柱铸锭进行锻造，得到锻造棒；步骤七、将步骤六得到的锻造棒依次进行高温晶化和低温退火，得到高强钛合金棒，所述高强钛合金棒的抗拉强度不小于1438MPa，所述高强钛合金棒的成分为Ti-1Al-8V-5Fe。本专利技术通过将电极块进行中频感应熔炼，使电极块中的各种原料在中频感应熔炼时能够被充分搅拌，使各种原料充分混合均匀，保证了圆柱坯料的成分均匀性，从而保证了高强钛合金棒的成分均匀性，然后将圆柱坯料进行焊接，形成了与真空自耗电弧熔炼相匹配的焊接圆柱坯料，通过真空自耗电弧熔炼，熔炼出圆柱铸锭，通过锻造，得到锻造棒，通过高温晶化和低温退火，使高强钛合金棒的微观组织中出现纳米和微米沉淀区域即在β基体上出现了聚集的α相，形成独特的纳米级层次结构，得到了抗拉强度不小于1438MPa的高强钛合金棒，本专利技术通过严格控制各工序的过程及工艺参数，保证了高强钛合金棒的制备中不会出现的由于Fe元素偏析形成β斑的不足，并具有优异的抗拉强度，提高了高强钛合金棒在增材制造制粉时的稳定性，从而保证了高强钛合金棒在增材制造制粉过程中不会发生断裂，得到的增材制造粉末的球形度高，均匀性高，节约了生产成本，提高了规模化熔炼加工Ti-1Al-8V-5Fe高强钛合金棒的品质，实现了规模化的稳定生产。上述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金原料为粒径不大于5mm的钒铁合金颗粒、粒径不大于5mm的钛铁合金颗粒、粒径不大于5mm的钛铝合金颗粒和粒径不大于30mm的海绵钛颗粒。本专利技术通过控制原料的组成和原料的粒径，有利于混合料的制备，保证了混合料中各成分的初步均匀性，提高了熔炼过程中的成分均匀化程度，防止了偏析的发生。上述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压制的压力为50吨～70吨，所述电极块为横截面直径70mm～80mm的圆柱形电极块。本专利技术通过控制压力使混合料结合成一个整体，保证了圆柱形电极块的结构更加致密，本专利技术通过控制圆柱形电极块的横截面直径，使电极块在中频感应熔炼时易达到完全熔化温度，节省了中频感应熔炼的时间，本专利技术通过控制电极块的形状，具有容易加工，压制时容易脱模，生产效率高的优点。上述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤三中所述中频感应熔炼的过程为：将电极块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、将钛合金原料进行混合，得到混合料；/n步骤二、将步骤一中得到的混合料装入到模具中进行压制，得到电极块；/n步骤三、将步骤二中得到的电极块进行中频感应熔炼，得到圆柱坯料；/n步骤四、将步骤三中得到的圆柱坯料依次进行打磨、倒角和焊接，得到焊接圆柱坯料；/n步骤五、将步骤四中得到的焊接圆柱坯料进行真空自耗电弧熔炼，得到圆柱铸锭；/n步骤六、将步骤五中得到的圆柱铸锭进行锻造，得到锻造棒；/n步骤七、将步骤六得到的锻造棒依次进行高温晶化和低温退火，得到高强钛合金棒，所述高强钛合金棒的抗拉强度不小于1438MPa，所述高强钛合金棒的成分为Ti-1Al-8V-5Fe。/n

【技术特征摘要】
1.一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛合金原料进行混合，得到混合料；
步骤二、将步骤一中得到的混合料装入到模具中进行压制，得到电极块；
步骤三、将步骤二中得到的电极块进行中频感应熔炼，得到圆柱坯料；
步骤四、将步骤三中得到的圆柱坯料依次进行打磨、倒角和焊接，得到焊接圆柱坯料；
步骤五、将步骤四中得到的焊接圆柱坯料进行真空自耗电弧熔炼，得到圆柱铸锭；
步骤六、将步骤五中得到的圆柱铸锭进行锻造，得到锻造棒；
步骤七、将步骤六得到的锻造棒依次进行高温晶化和低温退火，得到高强钛合金棒，所述高强钛合金棒的抗拉强度不小于1438MPa，所述高强钛合金棒的成分为Ti-1Al-8V-5Fe。


2.根据权利要求1所述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金原料为粒径不大于5mm的钒铁合金颗粒、粒径不大于5mm的钛铁合金颗粒、粒径不大于5mm的钛铝合金颗粒和粒径不大于30mm的海绵钛颗粒。


3.根据权利要求1所述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压制的压力为50吨～70吨，所述电极块为横截面直径70mm～80mm的圆柱形电极块。


4.根据权利要求1所述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤三中所述中频感应熔炼的过程为：将电极块放入中频感应熔炼炉内，保持炉内的真空度小于1×10-3Pa，以10kW/min～15kW/min的加热功率升温至1580℃～1620℃后保温10min～30min，冷却1.5h～2h后得到横截面直径为200mm～300mm的圆柱坯料。


5.根据权利要求1所述的一种增材制造制粉用高强钛合金棒的制备方法，其特征在于，步骤四中所述倒角的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李增峰，汤慧萍，赵少阳，谈萍，沈垒，殷京瓯，王利卿，葛渊，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61