阅读说明：本技术 具有均一横纵向性能的钛合金制件及其制备方法 (Titanium alloy part with uniform transverse and longitudinal properties and preparation method thereof ) 是由 计霞 楚瑞坤 段修涛 陈志茹 汪承杰 高桦 许停停 秦贤 邹荣堃 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种具有均一横纵向性能的钛合金制件及其制备方法。该方法包括：通过在激光选区熔化成型过程中,使钛合金制件的至少一部分马氏体转变为α相和/或β相,以制备钛合金制件；及通过热处理对钛合金制件进行均一化处理,进一步提高横纵向一致性。本申请的技术方案可获得具有均一横纵向性能的钛合金制件,其横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内,比较一致。(The application provides a titanium alloy part with uniform transverse and longitudinal properties and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: preparing a titanium alloy article by converting at least a portion of the martensite of the titanium alloy article to the alpha phase and/or the beta phase during the selective laser melting formation; and carrying out homogenization treatment on the titanium alloy workpiece through heat treatment, and further improving the transverse and longitudinal consistency. According to the technical scheme, the titanium alloy part with uniform transverse and longitudinal properties can be obtained, and the transverse and longitudinal strength and elongation rate difference is within 5%, so that the transverse and longitudinal strength and elongation rate difference are relatively consistent.)

具有均一横纵向性能的钛合金制件及其制备方法

技术领域

本申请属于钛合金技术领域，具体地，涉及一种具有均一横纵向性能的钛合金制件及其制备方法，尤其是一种具有均一横纵向性能的异形钛合金制件及其制备方法。

背景技术

合金制件在各行各业的应用极其广泛，其中异形构件的使用越来越多。传统的机械加工很难制备出各式各样的异形构件，激光选区熔化成型技术(3D打印)正好弥补了这个缺陷，其可以制造出几乎任何形状的产品。然而，目前激光选区熔化成型方法制造的合金经常会出现横纵向性能的明显差异，例如TC4、TA15、TA17、TA1、TC21等钛合金在目前的工艺参数下垂直于生长方向的试样均强度高延伸率低，平行于生长方向的试样均强度低延伸率高，这就不可避免的导致产品的横纵向性能差异，而且通过后续的退火热处理也根本无法扭转横纵向性能的差异性。

金属类合金的各向同性关系到设计许用值大小的建立，若合金存在明显的各向异性，则在运用该合金件时很可能因为其中某些取向的低性能值而导致产品出现损坏等材料失效现象。特别是对于异形结构件来说，这类结构件在使用过程中往往承受多方载荷，因此改善合金各向异性十分必要。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

本发明旨在改善合金在成形过程中的组织形态进而减小横纵向的差异性，进一步的，通过热处理方式使横纵向性能最终趋于一致。

本申请的一个方面提供了一种制备具有均一横纵向性能的钛合金制件的方法，包括：

通过在激光选区熔化成型过程中，使所述钛合金制件的至少一部分马氏体转变为α相和/或β相，制备所述钛合金制件；及

通过热处理对所述钛合金制件进行均一化处理。

在本申请的一些实施例中，所述激光选区熔化成型的工艺参数为：激光功率280-330W、扫描速度900-1200mm/s、铺粉层厚20-40μm、光斑直径0.06-0.25mm、激光搭接0-0.2mm、基板温度150-210℃。

在本申请的一些实施例中，所述热处理为真空热处理。

在本申请的一些实施例中，所述真空热处理的真空度为1.0×10^-1-6.67×10^-2Pa。

在本申请的一些实施例中，所述真空热处理的温度为800-925℃，保温时间为2-4h。

在本申请的一些实施例中，采用气冷方式冷却真空热处理后的钛合金制件。

在本申请的一些实施例中，采用球形度≥88％、松装密度2.00-2.45g/cm³、振实密度2.50-2.80g/cm³、霍尔流速≤50s/50g、空心粉率≤0.5％及夹杂物≤0.5％的钛合金粉末进行激光选区熔化成型。

在本申请的一些实施例中，采用D10粒径为18-22μm，D50粒径为26-35μm，D90粒径为45-55μm的钛合金粉末进行激光选区熔化成型。

本申请的另一方面还提供了一种由上述方法制备的具有均一横纵向性能的钛合金制件。

本申请的技术方案可获得具有均一横纵向性能的钛合金制件，其横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内，比较一致。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1所示为本申请一优选的制备钛合金制件的工艺流程图。

图2所示为实施例1制得的的打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图3所示为实施例1中最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图4所示为对比例1中制得的打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图5所示为对比例1最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图6所示为实施例2制得的的打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图7所示为实施例2中最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图8所示为对比例2最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图9所示为实施例3中最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

图10所示为对比例3最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本申请的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或实施例用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本申请所述的横纵向性能指的是钛合金制件横向、纵向的力学性能(如强度、延伸率)。

本申请提供的制备具有均一横纵向性能的钛合金制件的技术方案，如下：

通过在激光选区熔化成型过程中，使钛合金制件的至少一部分马氏体转变为α相和/或β相，以制备所述钛合金制件；及

通过热处理对钛合金制件进行均一化处理。

本申请通过激光选区熔化成型技术制备钛合金制件，在成型过程中使钛合金制件中的至少一部分马氏体转变为α相和/或β相，从而改善钛合金制件的内部组织结构，进而减小钛合金横纵向性能差异。

进一步地，通过激光选区熔化成型制备好的钛合金制件，接下来再进行热处理，进一步使钛合金制件的内部组织结构更加均一化，进而获得较为一致的横纵向性能。

本申请中，激光选区熔化成型的工艺参数直接影响钛合金制件内部组织结构的相变。在本申请的优选实施例中，激光选区熔化成型的工艺参数为：激光功率280-330W、扫描速度900-1200mm/s、铺粉层厚20-40μm、光斑直径0.06-0.25mm、激光搭接0-0.2mm、基板温度150-210℃。在该范围值下，在下一层打印时，可确保已成型层有足够的热量传导而使至少一部分马氏体转变为α相和/或β相。

本申请中，热处理方式及热处理的工艺参数直接影响钛合金制件内部组织结构的均一化。在本申请的优选实施例中，采用真空热处理的方式进行均一化处理。更优选地，所述真空热处理的真空度为1.0×10^-1-6.67×10^-2Pa。钛合金是一种活泼型金属，在400℃以上热处理时与氧接触，极易在其表面形成致密的α污染层，该α污染层会大大降低合金的塑韧性能，因此在热处理时最好严格控制真空度。

进一步优选地，真空热处理的温度为800-925℃，保温时间为2-4h。热处理后，优选采用气冷的方式对钛合金制件进行冷却。

采用钛合金粉末进行激光选区熔化成型制备钛合金制件，钛合金粉末的性能对于最终钛合金制件的性能也有间接的影响，尤其是钛合金粉末的粒径。在本申请的优选实施例中，采用D10粒径为18-22μm，D50粒径为26-35μm，D90粒径为45-55μm的钛合金粉末。更优选地，所用的钛合金粉末的球形度≥88％、松装密度2.00-2.45g/cm³、振实密度2.50-2.80g/cm³、霍尔流速≤50s/50g、空心粉率≤0.5％及夹杂物≤0.5％。需要说明的是，本申请所用的钛合金粉末可以自制也可购买，只要满足相应要求即可。

图1所示为本申请一优选的制备钛合金制件的工艺，流程如下：

S1：制备钛合金粉末。

钛合金粉末的参数如下：D10粒径为18-22μm，D50粒径为26-35μm，D90粒径为45-55μm；球形度≥88％、松装密度2.00-2.45g/cm3、振实密度2.50-2.80g/cm3、霍尔流速≤50s/50g、空心粉率≤0.5％及夹杂物≤0.5％。

S2：制作钛合金制件模型。

采用三维绘图软件绘制钛合金制件的模型，通过三维转化二维数据软件将三维数模转化为二维层片数据，得到二维切片数据，并将其导入激光选区熔化成型设备的系统中。

S3：激光选区熔化成型。

设定成型工艺参数：激光功率280-330W、扫描速度900-1200mm/s、铺粉层厚20-40μm、光斑直径0.06-0.25mm、激光搭接0-0.2mm、基板温度150-210℃。然后进行打印，获得钛合金毛坯制件。

S4：热处理。

对打印后得到的钛合金毛坯制件进行真空热处理，温度为800-925℃，保温时间为2-4h。热处理后采用气冷的方式对钛合金制件进行冷却。即得。

下面参考具体实施例，对本申请进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

采用图1所示的工艺步骤制备TC4钛合金制件，具体如下：

通过真空雾化技术制备TC4钛合金粉末，制得的粉末的参数如下：D10粒径为19.32μm，D50粒径为31.45μm，D90粒径为48.76μm；球形度90％、松装密度2.15g/cm³、振实密度2.58g/cm³、霍尔流速44s/50g、空心粉率0.1％及夹杂物0.05％。

采用三维绘图软件绘制TC4钛合金制件的模型，通过三维转化二维数据软件将三维数模转化为二维层片数据，得到二维切片数据，并将其导入激光选区熔化成型设备的系统中。

设定成型工艺参数：激光功率282W、扫描速度1150mm/s、铺粉层厚40μm、光斑直径0.12mm、激光搭接0.2mm、基板温度200℃。然后进行打印，获得钛合金毛坯制件。

对打印后得到的钛合金毛坯制件进行真空热处理，真空度为6.67×10^-2Pa，温度为912℃，保温时间为2h。热处理后采用气冷的方式对钛合金制件进行冷却。即得。

图2为打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。其中，XY面是与制备件生长方向垂直的面，XZ面是与制件生长方向平行的面。从图中可见，钛合金毛坯制件中的部分马氏体组织转变为α相和β相，与试样生长方向平行的面的金相组织柱状β晶形态比较断续，与试样生长方向垂直面的金相组织为黑白相间的夹带有部分α相和β相的马氏体组织。

图3为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异不大，比较均一。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。按照公式：横纵向强度差异＝(横向强度-纵向强度)/横向强度×100％，横纵向延伸率差异＝(横向延伸率-纵向延伸率)/横向延伸率×100％，计算合金制件的横纵向性能差异，本申请中该两个参数均按照以上两个公式进行计算。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内，比较一致。

对比例1

本对比例与实施例1不同的是激光选区熔化成型的工艺参数不同，其余均一样。

工艺参数为：激光功率250W、扫描速度700mm/s、铺粉层厚30μm、光斑直径0.06mm、激光搭接0.4mm、基板温度100℃。然后进行打印，获得钛合金毛坯制件。

图4为打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金毛坯制件中横向和纵向组织差异非常大，与试样生长方向一致面的金相组织呈现细长的柱状晶形态，与试样生长方向垂直面的金相组织为几乎见不到转变β相的马氏体组织。

图5为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异较大。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度差异为19.8％，延伸率差异为70.8％。

实施例2

采用图1所示的工艺步骤制备TA15钛合金制件，具体如下：

通过真空雾化技术制备TA15钛合金粉末，制得的粉末的参数如下：D10粒径为21.33μm，D50粒径为38.56μm，D90粒径为52.98μm；球形度95％、松装密度2.41g/cm³、振实密度2.79g/cm³、霍尔流速35s/50g、空心粉率0.05％及夹杂物0.1％。

采用三维绘图软件绘制TA15钛合金制件的模型，通过三维转化二维数据软件将三维数模转化为二维层片数据，得到二维切片数据，并将其导入激光选区熔化成型设备的系统中。

设定成型工艺参数：激光功率330W、扫描速度1200mm/s、铺粉层厚30μm、光斑直径0.13mm、激光搭接0.1mm、基板温度150℃。然后进行打印，获得钛合金毛坯制件。

对打印后得到的钛合金毛坯制件进行真空热处理，真空度为1.0×10^-1Pa，温度为800℃，保温时间为4h。热处理后采用气冷的方式对钛合金制件进行冷却即得。

图6为打印后得到的钛合金毛坯制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金毛坯制件的马氏体不多，α相和β相较多。

图7为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异不大，比较均一。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内，比较一致。

对比例2

本对比例与实施例2不同的是热处理不同，其余均一样。

对打印后得到的钛合金毛坯制件进行普通热处理，温度为700℃，保温时间为4h。热处理后采用自然冷却的方式对钛合金制件进行冷却。

图8为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异较大。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度差异为17.2％，延伸率差异为50.0％。

实施例3

采用图1所示的工艺步骤制备TC4钛合金制件，具体如下：

通过真空雾化技术制备TC4钛合金粉末，制得的粉末的参数如下：D10粒径为20.05μm，D50粒径为30.68μm，D90粒径为54.12μm；球形度94％、松装密度2.11g/cm³、振实密度2.64g/cm³、霍尔流速38s/50g、空心粉率0.2％及夹杂物0.3％。

采用三维绘图软件绘制TC4钛合金制件的模型，通过三维转化二维数据软件将三维数模转化为二维层片数据，得到二维切片数据，并将其导入激光选区熔化成型设备的系统中。

设定成型工艺参数：激光功率300W、扫描速度900mm/s、铺粉层厚35μm、光斑直径0.08mm、激光搭接0mm、基板温度200℃。然后进行打印，获得钛合金毛坯制件。

对打印后得到的钛合金毛坯制件进行真空热处理，真空度为8.98×10^-2Pa，温度为900℃，保温时间为3h。热处理后采用气冷的方式对钛合金制件进行冷却。即得。

图9为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异不大，比较均一。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内，比较一致。

对比例3

本对比例与实施例3不同的是所使用的粉末的性能不同，其余均一样。

制得的粉末的参数如下：D10粒径为10.25μm，D50粒径为55.11μm，D90粒径为70.45μm；球形度60％、松装密度1.85g/cm³、振实密度3.66g/cm³、霍尔流速65s/50g、空心粉率0.84％及夹杂物0.7％。

图10为最终得到的钛合金制件的金相图，其中(1)为XZ面，(2)为XY面。从图中可见，钛合金制件的横向和纵向的内部组织结构差异较大。

测量最终得到的钛合金制件的横向、纵向的强度及延伸率，结果请见表1。从表1可见，本实施例制得的钛合金制件的横向、纵向的强度差异为17.4％，延伸率差异高达53.5％。

表1各实施例和对比例的横、纵向性能

从上述实施例和对比例可知，本申请的技术方案可获得具有均一横纵向性能的钛合金制件，其横向、纵向的强度及延伸率差异在5％内，比较一致。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。