一种采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法

本发明属于增材制造钛合金制备，特别是涉及一种采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法。

背景技术：

1、钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异及生物相容性良好等特点，在航空航天、海洋工程及高端医疗等领域具有广泛应用前景。激光粉末床熔融技术作为一种典型的增材制造方法，通过逐层熔融堆积实现复杂结构零部件的一体化成型，突破了传统加工工艺在几何自由度方面的限制。该技术所涉及的非平衡冶金过程，包括熔池的快速凝固、极高的温度梯度及多重热循环作用，为调控材料的微观组织结构提供了新的工艺路径，也为开发具有特殊性能的新型钛合金创造了条件。相较于传统铸造、锻造等近平衡加工手段，激光粉末床熔融技术能够在单一成型过程中实现从粉末原料到高性能致密块体的直接转变，其特有的极端非平衡条件可突破合金设计的热力学限制，拓展合金元素的固溶极限，诱导出常规工艺难以获得的非平衡相及精细复相组织，从而为探索具有特殊力学性能的新型钛合金体系开辟了新的技术途径。

2、在亚稳β钛合金的研究领域，屈服强度与加工硬化能力之间的矛盾长期制约其工程应用。当合金组织为单一亚稳β相时，变形过程中可发生应力诱发α''马氏体相变，从而产生显著的加工硬化效应，但屈服强度普遍较低，通常难以突破500mpa，无法满足高应力服役环境下的结构承载需求。当通过固溶淬火或者短时低温时效处理在β基体中引入弥散分布的ω相后，可使屈服强度提升至500mpa以上，然而ω相会成为位错运动的通道，诱发平面滑移，导致应变局域化，加工硬化能力显著下降，加工硬化率往往不足5gpa。上述两种组织形态各自存在明显的性能短板，难以同时满足高屈服强度与高加工硬化能力的协同需求，成为制约亚稳β钛合金在高性能结构件领域推广应用的关键技术瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有trip（相变诱导塑性）型亚稳β钛合金中屈服强度与加工硬化能力难以协同提升的问题，本发明提供了一种采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法。本发明利用增材制造过程中的非平衡冶金条件，精确调控合金的最终微观组织，实现了析出强化与相变诱发塑性两种机制的耦合，从而获得兼具高屈服强度与超高加工硬化率的钛合金材料。

2、为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，包括以下步骤：将纯钛粉末、铝粉、钼粉、铬粉和锆粉按照预设质量百分比进行混匀、过筛、干燥、冷却至室温，得到前驱体混合粉末，以所述前驱体混合粉末为原料，在惰性气体保护下，采用激光粉末床熔融工艺成型，得到超高加工硬化钛合金。

4、进一步地，所述预设质量百分比为：铝粉：6~8%，钼粉：2~3%，铬粉：2~3%，锆粉：2%，余量为纯钛粉末。

5、进一步地，钼粉和铬粉的质量百分比之和为6%。

6、进一步地，所述纯钛粉末和铝粉的粒径均为15~53μm；所述钼粉、铬粉和锆粉的粒径范围均为1~10μm。

7、进一步地，所述过筛为过270目筛网。

8、进一步地，所述干燥为：在120℃下，真空干燥2h。

9、进一步地，所述激光粉末床熔融工艺成型工艺参数为：激光功率200~250w，扫描速度850~1100mm/s，线间距90~100μm，粉末层厚30~40μm，基板温度60~100℃。

10、本发明通过协同调控激光体能量密度、扫描策略、粉末层厚及基板预热温度，在热循环累积作用下诱导纳米ω相弥散析出，同时抑制其粗化，制备获得兼具>500mpa屈服强度与>20gpa加工硬化率的超高加工硬化钛合金。本发明采用的制备方法利用增材制造特有的热履历实现了析出强化与相变诱导塑性机制的原位耦合，综合性能显著优于现有报道的trip型钛合金。

11、所述激光粉末床熔融工艺成型参数根据所需的金相组织与性能进行调整，以控制亚稳β晶粒尺寸、α''相含量及ω相的分布与粒径。在上述参数窗口内，可通过调整具体数值，实现对亚稳β晶粒尺寸、α''相含量以及ω相分布状态与粒径的进一步调控，从而优化合金的综合力学性能。当激光功率小于200w时，会导致粉末未能完全熔融，从而出现未熔合区、球化及高孔隙率，最终损害部件的致密性与力学性能；当激光功率大于250w时，会导致熔池过热，冷却速率减慢，进而引发β晶粒长大。

12、第二方面，本发明提供了一种超高加工硬化钛合金，通过上述方法制备得到，所述超高加工硬化钛合金的初始组织为微米级亚稳β晶粒，在所述微米级亚稳β晶粒内部均匀分布α''相和ω相。

13、进一步地，所述α''相的体积分数为13%~25%，所述ω相为粒径为1~6nm的椭球状ω相。

14、本发明提供的超高加工硬化钛合金在拉伸变形过程中，α''相和椭球状纳米ω相与位错的交互作用提供高屈服强度，同时亚稳β基体在应力作用下持续发生马氏体相变提供高加工硬化率。

15、本发明采用的纯钛粉末与其他各单质粉末的配比需进行精确控制，以确保成型后合金的化学成分落在能够形成亚稳β基体的成分范围内，并为后续析出α''相和ω相提供必要的元素条件。

16、本发明采用上述金属粉末质量配比使所得前驱体混合粉末在激光熔融原位合金化后，基体组织能够落在亚稳β相区内，且足以在随后的热循环过程中析出纳米级ω相为准，其中，当铝粉加入量过多，会导致合金中形成脆性有序相ti3al，导致样品提前断裂，当铝粉加入量过少，会导致合金类型发生变化，加工硬化率明显下降；当钼粉和cr粉加入量之和过多或过少时，会导致β相过于稳定或形成针状α'相，无法得到复相组织。

17、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

18、（1）实现了复杂精细组织的原位调控：本发明充分利用激光粉末床熔融工艺极端非平衡凝固的特性，无需后续复杂的热处理工序，在一步成型过程中即原位构建出由微米级亚稳β晶粒、纳米级ω相及α''相组成的复相组织。这种一步成型的制备策略，不仅大幅降低了时间与能耗成本，更规避了后续热处理导致ω相粗化致使加工硬化能力丧失的风险；

19、（2）突破了传统trip钛合金的强塑性匹配局限：本发明提供的超高加工硬化钛合金中具有由微米级亚稳β晶粒、少量α''相及均匀弥散纳米ω相组成的α''+ω+β三相复合组织，赋予了该钛合金显著高于传统亚稳β钛合金的屈服强度，其屈服强度可达500mpa以上；同时，亚稳β基体在塑性变形过程中仍能有效诱发α''马氏体相变，产生持续的加工硬化，加工硬化率可超过20gpa。

1.一种采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：将纯钛粉末、铝粉、钼粉、铬粉和锆粉按照预设质量百分比进行混匀、过筛、干燥、冷却至室温，得到前驱体混合粉末，以所述前驱体混合粉末为原料，在惰性气体保护下，采用激光粉末床熔融工艺成型，得到超高加工硬化钛合金。

2.根据权利要求1所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，所述预设质量百分比为：铝粉：6~8%，钼粉：2~3%，铬粉：2~3%，锆粉：2%，余量为纯钛粉末。

3.根据权利要求2所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，钼粉和铬粉的质量百分比之和为6%。

4.根据权利要求1所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，所述纯钛粉末和铝粉的粒径均为15~53μm；

5.根据权利要求1所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，所述过筛为过270目筛网。

6.根据权利要求1所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，所述干燥为：在120℃下，真空干燥2h。

7.根据权利要求1所述的采用激光粉末床熔融工艺制备超高加工硬化钛合金的方法，其特征在于，所述激光粉末床熔融工艺成型工艺参数为：激光功率200~250w，扫描速度850~1100mm/s，线间距90~100μm，粉末层厚30~40μm，基板温度60~100℃。

8.一种超高加工硬化钛合金，其特征在于，通过权利要求1~7任一项所述方法制备得到，所述超高加工硬化钛合金的初始组织为微米级亚稳β晶粒，在所述微米级亚稳β晶粒内部均匀分布α''相和ω相。

9.根据权利要求8所述的超高加工硬化钛合金，其特征在于，所述α''相的体积分数为13%~25%，所述ω相为粒径为1~6nm的椭球状ω相。