一种高氧低成本高强韧异质结构钛合金及其增材制造方法
本发明涉及金属增材制造与钛合金材料，尤其涉及一种高氧低成本高强韧异质结构钛合金及其增材制造方法。
背景技术：
1、钛合金因其高比强度、优异的耐腐蚀性能及良好的生物相容性，在航空航天、海洋工程、生物医疗等领域具有广泛应用。近年来，增材制造技术，尤其是选区激光熔化技术，为钛合金复杂构件的快速成型提供了新途径。然而，slm成型过程中极高的冷却速率（103~108k/s）使得钛合金直接打印态的组织通常为细小的针状马氏体α'相。这种全针状马氏体组织虽然具有很高的强度，但由于缺乏能够承载塑性变形的软相（如β相或等轴α相），位错滑移的平均自由程有限，导致材料的室温延伸率普遍低于5%，严重限制了其作为结构材料的工程应用。
2、另一方面，氧是钛合金中常见的间隙元素。传统观点认为，氧通过固溶强化可显著提高钛合金的强度，但同时也因氧界面偏聚和间隙占位重组机制而严重损害塑性。具体而言，氧原子优先占据钛晶格中的八面体间隙位置，在塑性变形过程中，氧原子的占位会发生重组，导致平面滑移，加剧局部应力集中，从而使高含氧钛合金（氧含量>0.3 wt%）几乎丧失拉伸塑性，通常延伸率不足5%。因此，如何在利用氧实现低成本强化的同时，克服其带来的塑性恶化难题，是增材制造高氧钛合金领域长期未突破的瓶颈。
3、现有技术中，改善增材制造钛合金塑性的方法主要包括后续热等静压或复杂的多步热处理，但热等静压设备昂贵、周期长，而多步热处理工艺控制难度大，且难以在保持高强度的同时有效恢复塑性。尤其是对于选区激光熔化成型的高氧钛合金，由于氧的强稳定作用和界面偏聚，常规退火往往难以打破单一的针状α'组织，更无法构建出能够协调应变的多相、多尺度结构。
4、因此，亟需开发一种简单、低成本的后处理方法，能够在高氧含量体系中调控微观组织，打破针状α'马氏体的单一性，引入能承载应变的塑性相，从而突破高氧钛合金强塑性倒置的困境。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高氧低成本高强韧异质结构钛合金及其增材制造方法，克服slm高氧钛合金单一针状α'组织、高氧致脆、强塑性倒置缺陷；采用廉价二氧化钛粉末掺氧替代高价合金粉，仅通过slm成型以及单步短时退火构建微米-纳米多相异质结构，在氧含量0.3~0.6wt.% 区间实现钛合金抗拉强度＞1100 mpa、延伸率＞6%，兼顾低成本与高强韧匹配。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、本发明提供一种高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，包括以下步骤：
4、（1）以铌粉和钼粉中的一种与钛粉、铁粉及二氧化钛粉为原料，通过机械混合方式制备得到成分均匀的混合粉末，其中氧元素以二氧化钛形式引入合金体系；
5、（2）采用激光选区熔化技术对步骤（1）所得的混合粉末进行成型加工，控制激光功率为160w~320w，扫描速度为600mm/s~1700 mm/s，线间距为80μm~120μm，铺粉层厚为30μm~50μm，获得致密的含氧钛合金成型件；
6、（3）将步骤（2）所得的成型件在650℃~800℃条件下进行退火处理，保温时间为5min~60min，通过退火过程中的相调控，在合金中构建由α相、α'相及少量β相组成的异质组织，且α相与α'相内部均进一步析出纳米尺度的β相，形成跨尺度的多相复合结构。
7、进一步地，所述混合粉末配比使最终钛合金中钼或铌总含量为2wt%~10wt%，铁含量为1wt%~3wt%，氧含量为0.3wt%~0.6wt%，余量为钛。
8、进一步地，步骤（2）中激光功率为180w~220w，扫描速度为800 mm/s~1500 mm/s。
9、进一步地，步骤（3）中所述退火处理的退火升温速率8~12℃/min，保温结束后水淬冷却。
10、进一步地，步骤（3）中形成的异质组织中α相与α'相为微米级板条，其内部析出的纳米β相直径为30 nm~80 nm。
11、本发明还提供一种由所述制备方法制备的高氧低成本高强韧异质结构钛合金。
12、与现有技术相比，本发明至少具有如下优势和技术效果：
13、本发明相较于现有技术具备两方面突出优势，一方面有效攻克了增材制造高氧钛合金存在的强塑性倒置难题：常规激光选区熔化制备氧含量0.3wt%~0.6wt%的高氧钛合金时，材料内部会形成全针状α'马氏体组织，加之氧原子易在界面发生偏聚，塑性变形过程中氧原子晶格占位重组会大幅加剧应力集中，致使合金室温延伸率普遍不足2%；而本发明仅采用一步短时退火工艺，即可促使针状α'马氏体发生分解，同步生成少量β相并析出纳米尺度β相，构建微米级α、α'基体搭配纳米β相的跨尺度异质复合组织，依托多尺度、多相协同应变调控机制，在保证合金室温抗拉强度高于1100mpa的基础上，将断后延伸率提升至6%以上，真正实现高氧体系下材料强度与塑性的协同匹配。
14、另一方面，本发明兼顾原料与后处理全流程低成本优势，工业化应用价值显著：制备原料选用ta1粉末、单质铁粉、钼粉与低成本二氧化钛粉末简单机械混合而成，依靠二氧化钛引入氧元素，省去高价预合金粉末采购与专门渗氧工序，大幅降低原料成本；成型后仅需650℃~800℃、保温5 min~60 min的单步短时退火即可完成组织调控，无需配套热等静压设备或多段分级时效热处理，对生产设备要求低、热处理能耗少、整体制备周期短，适配大批量工业化生产场景。
1.一种高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，所述混合粉末配比使最终钛合金中钼或铌总含量为2wt%~10wt%，铁含量为1wt%~3wt%，氧含量为0.3wt%~0.6wt%，余量为钛。
3.根据权利要求1所述的高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，步骤（2）中，所述激光功率为180w~220w，扫描速度为800mm/s~1500mm/s。
4.根据权利要求1所述的高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，步骤（3）中，所述退火处理的退火升温速率8~12℃/min，保温结束后水淬冷却。
5.根据权利要求1所述的高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，步骤（3）中形成的异质组织中α相与α'相为微米级板条，其内部析出的纳米β相直径为30nm~80nm。
6.根据权利要求1所述的高氧合金化异质结构钛合金的增材制造方法，其特征在于，步骤（2）中，所述激光选区熔化技术在保护气氛下进行，所述保护气氛为高纯氩气。
7.一种高氧低成本高强韧异质结构钛合金，其特征在于：由权利要求1~6任一项所述方法制备得到。