用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法与流程

1.本发明涉及钛合金技术领域，尤其是提升钛合金丝材的塑形具体而言涉及一种用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法。


背景技术：

2.钛合金丝材的生产过程，可通过钛合金棒材的热拉拔或者轧制实现，由于热塑性差的因素，钛合金丝的制造所需的热量巨大，生产周期和生产成本较高，效率低，是制约钛合金的市场化和规模化应用的关键因素。
3.由于钛的屈强比较高，弹性较好，变形抗力大，但其弹性模量相对较低，故加工时变形抗力大，回弹性也较严重，而且在加工过程中的粘着问题对制品的表面质量也产生了恶劣的影响。


技术实现要素：

4.本发明目的在于针对现有的钛合金丝加工效率较低，成型性能差，加工难度较大和制件使用性能较差等现状，提供一种用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法，能够显著降低相变温度，大大缩减了生产过程中所需的热量，从而降低制造成本。
5.本发明的第一方面提出一种用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法，包括以下步骤：
6.步骤1、将钛合金铸锭均匀化加热处理，所述钛合金铸锭为一定长度与直径的钛合金棒材；
7.步骤2、将钛合金铸锭放入密闭的管式置氢加热炉中，在真空环境下，通入氢气进行固态置氢处理，得到置氢钛合金铸锭；
8.步骤3、将置氢钛合金铸锭放进热处理炉进行固溶处理；
9.步骤4、将固溶处理后的钛合金铸锭进行预设变形量的热拉拔工艺，拉拔完炉冷，获得钛合金丝材；以及
10.步骤5、将热拉拔完的钛合金丝材进行时效处理，获得用于增材制造的含氢钛合金丝材。
11.优选地，所述步骤1中，将钛合金铸锭均匀化加热处理，包括：
12.在980
‑
990℃温度环境下，均匀化加热钛合金铸锭，保温4
‑
8h。
13.优选地，所述步骤2中，固态置氢处理的操作具体包括：
14.将放置有钛合金铸锭的管式置氢加热炉内腔抽真空至1.5*10
‑3pa，以10
‑
20℃/min的速度加热至700℃
‑
800℃，保温10
‑
30min；
15.然后，根据钛合金铸锭的重量百分比充入0.45％～0.8％的氢气；保温2h，然后以5～15℃/min冷却至室温，即得到含氢钛合金铸锭。
16.优选地，所示步骤3的固溶处理，包括：
17.将含氢钛合金铸锭放进热处理炉内，以10
‑
20℃/min的速度加热至t
β
10℃，保温
20min～40min，然后淬火；t
β
为钛合金丝材在β相变温度；
18.优选地，所示步骤4的具体处理包括以下过程：
19.将固溶后钛合金铸锭放入热处理炉并控制在预设的拉拔温度区间内保温；保温时间以钛合金铸锭的长度以及0.6min/mm～1.0min/mm计算确定；
20.保温后，将固溶后钛合金铸锭进行多次拉拔，并保证每次拉拔时的温度高于750℃，如果低于750℃，则需要先放入热处理炉并控制在预设的拉拔温度区间内保温，保温时间以钛合金铸锭的长度以及0.3min/mm～0.5min/mm计算确定；直到拉拔后的钛合金丝材达到预定的直径尺寸要求。
21.优选地，所述预设的拉拔温度区间为t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃。
22.优选地，在步骤5中，将热拉拔完的钛合金丝材在500℃～550℃温度区间进行时效处理，保温时间4
‑
6h，随后炉冷至室温，得到钛合金丝材。
23.优选地，在所述步骤2中，抽真空的过程包括：
24.第一次抽真空，达到预设真空度后，通入氩气，然后再次抽真空；按照上述抽真空
‑
通氩气
‑
抽真空的方式循环处理2
‑
3次，将炉内空气排尽后才通入氢气。
25.与现有技术相比，本发明的显著的有益效果在于：
26.通过在拉拔前的置氢处理，以增加钛合金的热塑性，改善钛合金的内部组织状态，优化钛合金热成形性能；利用氢在钛合金中的临时合金化作用，能够显著降低相变温度，大大缩减了生产过程中所需的热量，从而降低制造成本。
27.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
28.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
29.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
30.图1是本发明示例性实施例的用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法的流程示意图。
31.图2是本发明示例性实施例使用的圆柱形钛合金铸锭的示意图。
32.图3是本发明示例性实施例使用的圆柱形钛合金铸锭在管式置氢炉固态置氢处理的示意图。
具体实施方式
33.为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
34.在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实
施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
35.结合图1所示，本发明提出一种用于增材制造的含氢钛合金丝材的制备方法，包括：
36.步骤1、将钛合金铸锭均匀化加热处理，所述钛合金铸锭可以是一定长度与直径的钛合金棒材或者其他形状的钛合金铸锭，包括但不限于长方形；
37.步骤2、将钛合金铸锭放入密闭的管式置氢加热炉中，在真空环境下，通入氢气进行固态置氢处理，得到置氢钛合金铸锭；
38.步骤3、将置氢钛合金铸锭放进热处理炉进行固溶处理；
39.步骤4、将固溶处理后的钛合金铸锭进行预设变形量的热拉拔工艺，拉拔完炉冷，获得钛合金丝材；以及
40.步骤5、将热拉拔完的钛合金丝材进行时效处理，获得用于增材制造的含氢钛合金丝材。
41.优选地，所述步骤1中，将钛合金铸锭均匀化加热处理，包括：
42.在980
‑
990℃温度环境下，均匀化加热钛合金铸锭，保温4
‑
8h。
43.优选地，所述步骤2中，固态置氢处理的操作具体包括：
44.将放置有钛合金铸锭的管式置氢加热炉内腔抽真空至1.5*10
‑3pa，以10
‑
20℃/min的速度加热至700℃
‑
800℃，保温10
‑
30min；
45.然后，根据钛合金铸锭的重量百分比充入0.45％～0.8％的氢气；保温2h，然后以5～15℃/min冷却至室温，即得到含氢钛合金铸锭。
46.优选地，所示步骤3的固溶处理，包括：
47.将含氢钛合金铸锭放进热处理炉内，以10
‑
20℃/min的速度加热至t
β
10℃，保温20min～40min，然后淬火；t
β
为钛合金丝材在β相变温度；
48.优选地，所示步骤4的具体处理包括以下过程：
49.将固溶后钛合金铸锭放入热处理炉并控制在预设的拉拔温度区间内保温；保温时间以钛合金铸锭的长度以及0.6min/mm～1.0min/mm计算确定；
50.保温后，将固溶后钛合金铸锭进行多次拉拔，并保证每次拉拔时的温度高于750℃，如果低于750℃，则需要先放入热处理炉并控制在预设的拉拔温度区间内保温，保温时间以钛合金铸锭的长度以及0.3min/mm～0.5min/mm计算确定；直到拉拔后的钛合金丝材达到预定的直径尺寸要求。
51.优选地，所述预设的拉拔温度区间为t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃。
52.优选地，在步骤5中，将热拉拔完的钛合金丝材在500℃～550℃温度区间进行时效处理，保温时间4
‑
6h，随后炉冷至室温，得到钛合金丝材。
53.优选地，在所述步骤2中，抽真空的过程包括：
54.第一次抽真空，达到预设真空度后，通入氩气，然后再次抽真空；按照上述抽真空
‑
通氩气
‑
抽真空的方式循环处理2
‑
3次，将炉内空气排尽后才通入氢气。
55.下面结合具体的实施例对前述实施例的示例性实现进行说明。
56.以下的实施例1
‑
3均以真空熔炼制备的ti6al4v钛合金铸锭(tc4)为例进行说明，
制备过程均采用固态置氢对试样进行氢处理。利用线切割从铸锭心部切取直径8mm、长度12mm的试样，如图2所示，并用砂纸打磨，然后利用超声波清洗干净之后，通过高温均匀化加热处理之后，在980
‑
990℃温度环境下，保温4
‑
8h，然后通过以下实施例的3种工艺进行处理。
57.ti6al4v钛合金铸锭实际成分如下表
[0058] tifecnhoalv实际成分余料0.300.100.050.0150.205.5
‑
6.83.5
‑
4.5
[0059]
【实施1】采用“置氢 固溶 常温拉拔 时效”工艺
[0060]
1)将tc4钛合金铸锭进行置氢处理，具体为将tc4钛合金铸锭放入管式置氢炉内，抽真空至1.5*10
‑3pa，以10～20℃/min的速度加热至700℃
‑
800℃，保温时间10～30min，根据钛合金铸锭的重量百分比充入0.8％的氢气，保温2h，然后以5～15℃/min冷却至室温，即得到含氢钛合金铸锭；如图3所示；
[0061]
2)将上述置氢钛合金铸锭进行固溶处理，将钛合金铸锭放进热处理炉内，10
‑
20℃/min的速度加热至t
β
℃ 10℃，保温20min～40min，然后淬火，冷却至室温；
[0062]
3)将置氢钛合金铸锭经过扒皮去除表面裂纹和折叠，一端倒圆角，在常温下进行反复不同变形量的拉拔，直到达到规定要求尺寸。
[0063]
4)将常温拉拔的丝材先加热至t
β
‑
100℃～t
β
‑
40℃，然后再在500℃～550℃温度区间进行时效处理，得到钛合金丝材。
[0064]
5)所述钛合金丝材用于制备坚固件。
[0065]
【实施2】采用“置氢 固溶 热拉拔 时效”工艺
[0066]
1)将tc4钛合金铸锭经过扒皮去除表面裂纹和折叠，一端倒圆角，进行置氢处理，具体为将tc4钛合金铸锭放入管式置氢炉内，抽真空至1.5*10
‑3pa，以10～20℃/min的速度加热至700℃
‑
800℃，保温时间10～30min，根据钛合金铸锭的重量百分比充入0.8％的氢气，保温2h，然后以5～15℃/min冷却至室温，即得到含氢钛合金铸锭；
[0067]
2)将上述置氢钛合金铸锭进行固溶处理，将钛合金铸锭放进热处理炉内，10
‑
20℃/min的速度加热至t
β
℃ 10℃，保温20min～40min，然后淬火；
[0068]
3)将置氢钛合金铸锭在t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃温度区间保温，保温时间以0.6min/mm～1.0min/mm计算，将铸锭进行热拉拔变形，终止温度大于750℃，若经过一道拉拔工序后温度低于750℃时，直接回炉在t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃温度区间进行保温，保温时间以0.3min/mm～0.5min/mm计算；如此反复可进行多道不同变形量的拉拔工序，直至达到规定要求尺寸；
[0069]
4)将上述热拉拔丝材在500℃～550℃温度区间进行时效处理，保温时间4
‑
6h，随后炉冷至室温，得到钛合金丝材。
[0070]
5)所述钛合金用于制备坚固件。
[0071]
【实施3】采用“置氢 热拉拔”工艺
[0072]
1)将tc4钛合金铸锭经过扒皮去除表面裂纹和折叠，一端倒圆角，进行置氢处理，具体为将tc4钛合金铸锭放入管式置氢炉内，抽真空至1.5*10
‑3pa，以10～20℃/min的速度加热至700℃
‑
800℃，保温时间10～30min，根据钛合金铸锭的重量百分比充入0.8％的氢气，保温2h，然后以5～15℃/min冷却至室温，即得到含氢钛合金铸锭；
[0073]
2)将置氢钛合金铸锭在t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃温度区间保温，保温时间以0.6min/mm～
1.0min/mm计算，将铸锭进行两次拉拔工序，终止温度大于750℃，若经过一道拉拔工序后温度低于750℃时，直接回炉在t
β
‑
50℃～t
β
‑
30℃温度区间进行保温，保温时间以0.3min/mm～0.5min/mm计算；如此反复可进行多道不同变形量的拉拔工序，直至达到规定要求尺寸，拉拔完冷却至室温。
[0074]
3)所述钛合金用于制备坚固件。
[0075]
通过以上实施例1
‑
3工艺所制备的工件的测试，其力学性能如下表所示。
[0076]
丝材的力学性能
[0077][0078]
可见，本发明实施例2中通过置氢处理与热处理联合调控的钛合金丝材，能够显著降低相变温度，大大缩减了生产过程中所需的热量，从而降低制造成本，利用其打印的坚固件工件的抗拉强度和延伸率、切应力性能均优于实施例1和3的标准，使高强度钛合金达到优异的综合性能。
[0079]
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。