一种Ti-13Cu-1Al合金材料及制备方法

一种ti-13cu-1al合金材料及制备方法
技术领域
1.本发明属于钛合金领域，尤其是一种ti-13cu-1al合金材料及制备方法。


背景技术：

2.钛合金具有低密度、高比强度、耐蚀性好、无磁性等优点，在航空、航天、海洋工程和汽车等工业领域得到了广泛应用。含铜量超过3wt％的钛合金具有良好的抗菌性能；当铜含量超过10wt％的钛合金，还具有良好的抗燃烧性能。高铜含量钛合金逐渐受到重视。
3.目前，高铜含量钛合金制造工艺的主要技术瓶颈是：合金元素铜的密度大，采用常规的真空自耗熔炼方法制备铸锭时，合金成分(主要是铜元素)易偏析，造成材料浪费。为解决这一技术瓶颈，一般有两种办法。一是采用中间合金的方式添加铜元素，再进行真空自耗熔炼。但该方法流程长、工艺较繁琐。二是采用粉末冶金法将合金中的各种元素粉末混合均匀，再制坯。该方法尽管能够得到成分较均匀的合金坯，但杂质元素氧含量难以控制，使合金塑性降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种ti-13cu-1al合金材料及制备方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种ti-13cu-1al合金材料的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)以重量百分比计，获取ti-13cu-1al钛合金粉末；
8.(2)将所述ti-13cu-1al钛合金粉末采用激光增材制造工艺制备出ti-13cu-1al合金材料；
9.(3)将所述ti-13cu-1al合金材料进行450℃/1hac的退火热处理，得到强度与塑性良好匹配的ti-13cu-1al合金材料。
10.进一步的，步骤(1)中ti-13cu-1al钛合金粉末的粒径为60目。
11.进一步的，步骤(3)替换为：
12.将所述ti-13cu-1al合金材料进行以下热处理：
13.810℃/30分钟wq，之后450℃/8hac热处理。
14.进一步的，步骤(1)中ti-13cu-1al钛合金粉末由以下方法制备：
15.以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出棒材，再经旋转电极的方法制备出ti-13cu-1al合金粉末。
16.进一步的，棒材直径为45mm。
17.进一步的，步骤(2)的具体条件为：
18.激光功率6-8kw，扫描速度800-1200mm/min，送粉速率1000-1200g/h，搭接率30％-50％，单层高度0.5-1.0mm。
19.一种ti-13cu-1al合金材料，根据本发明所述的制备方法制备得到。
20.进一步的，cu含量浮动不超过3.9％。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明的ti-13cu-1al合金材料的制备方法，采用激光增材制造工艺制备出成分均匀的铜含量高达13wt％，并具有良好强度和塑性匹配的ti-13cu-1al合金材料。
23.进一步的，本发明以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出直径为45mm的棒材。这个两次真空熔炼过程，再加上锻造前的高温长时保温处理以及多次高温锻造，cu元素得到较为充分的扩散，保证了cu元素均匀分布，再经旋转电极的方法制备出ti-13cu-1al合金粉末。采用旋转电极的方法制备ti-13cu-1al合金粉末避免了制备过程中杂质元素氧的污染。
24.本发明适用于含有高含量、高熔点合金元素钛合金材料的制备。
25.本发明的ti-13cu-1al合金材料，合金内元素分布均匀，强度与塑性的良好匹配，强度、塑性均达到或超过常规的熔炼锻造制备的棒材热处理后的性能。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.实施例1
29.以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出直径为45mm的棒材，再经旋转电极的方法制备出粉末的粒径为60目的ti-13cu-1al合金粉末；将所述ti-13cu-1al钛合金粉末采用激光增材制造工艺制备出ti-13cu-1al合金材料，实施的具体参数为：激光功率6kw，扫描速度1200mm/min，送粉速率1200g/h，搭接率50％，单层高度1.0mm。
30.采用激光增材制造工艺制备的ti-13cu-1al合金材料沿高度方向边部的上、中、下三个部位取样，测得的三个部位的化学成分如下：
31.上部：ti-12.49cu-1.0al-0.067o
32.中部：ti-12.86cu-0.99al-0.068o
33.下部：ti-13.0cu-1.0al-0.07o
34.可以看出，上、中、下三个部位的cu含量相差很小，最大相差3.9％；上、中、下三个部位的al含量相差更小，最大相差1.0％；上、中、下三个部位的杂质元素o相差也很小，最大
相差4.3％。表明制备的合金材料成分均匀性好。
35.实施例2
36.以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出直径为45mm的棒材，再经旋转电极的方法制备出粉末的粒径为60目的ti-13cu-1al合金粉末；将所述ti-13cu-1al钛合金粉末采用激光增材制造工艺制备出ti-13cu-1al合金材料，实施的具体参数为：激光功率6kw，扫描速度800mm/min，送粉速率1000g/h，搭接率30％，单层高度0.5mm。
37.采用激光增材制造工艺制备的ti-13cu-1al合金材料沿高度方向中间部位的上、中、下三个部位取样，三个部位的化学成分如下：
38.上部：ti-12.59cu-1.0al-0.068o
39.中部：ti-12.95cu-0.98al-0.068o
40.下部：ti-13.1cu-0.99al-0.071o
41.可以看出，上、中、下三个部位的cu含量相差很小，最大相差3.9％；上、中、下三个部位的al含量相差更小，最大相差2.0％；上、中、下三个部位的杂质元素o相差也很小，最大相差4.2％。表明制备的合金材料成分均匀性好。
42.实施例3
43.以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出直径为45mm的棒材，再经旋转电极的方法制备出粉末的粒径为60目的ti-13cu-1al合金粉末；将所述ti-13cu-1al钛合金粉末采用激光增材制造工艺制备出ti-13cu-1al合金材料，实施的具体参数为：激光功率7kw，扫描速度1000mm/min，送粉速率1100g/h，搭接率40％，单层高度0.8mm。
44.沿ti-13cu-1al合金材料高度方向线切割去样，经450℃/1hac简单退火热处理，机械加工成标准的拉伸试样，按国家标准方测试室温拉伸性能。力学性能结果表1所示，表1也列出了采用常规真空自耗2次熔炼制备铸锭，经常规锻造热加工制备成直径为20mm的棒材，再经810℃/30分钟wq 450℃/8hac的室温拉伸性能。
45.表13d打印和常规锻造加工制备的ti-13cu-1al合金材料不同种热处理制度的力学性能对比
[0046][0047][0048]
由表1可以看出，3d打印的材料经450℃/1hac简单退火热处理的强度、塑性均高于常规锻造加工的材料经810℃/30分钟wq 450℃/8hac固溶时效的力学性能，也就是说，3d打印的材料强度、塑性匹配良好，强度和塑性超过了常规锻造加工的材料。
[0049]
实施例4
[0050]
以海绵钛、铝豆、纯铜为原料，按ti-13cu-1al成分配料、压制电极，经两次真空熔炼得到合金铸锭，经锻造热加工制备出直径为45mm的棒材，再经旋转电极的方法制备出粉
末的粒径为60目的ti-13cu-1al合金粉末；将所述ti-13cu-1al钛合金粉末采用激光增材制造工艺制备出ti-13cu-1al合金材料，实施的具体参数为：激光功率8kw，扫描速度800mm/min，送粉速率1200g/h，搭接率50％，单层高度0.5-1.0mm。
[0051]
沿ti-13cu-1al合金材料高度方向线切割去样，经810℃/30分钟wq 450℃/8hac固溶时效热处理，机械加工成标准的拉伸试样，按国家标准方测试室温拉伸性能。力学性能结果表2所示，表2也列出了采用常规真空自耗2次熔炼制备铸锭，经常规锻造热加工制备成直径为20mm的棒材，再经810℃/30分钟wq 450℃/8hac的室温拉伸性能。
[0052]
表2 3d打印和常规锻造加工制备的ti-13cu-1al合金材料同一种热处理制度的力学性能对比
[0053][0054][0055]
由表2可以看出，3d打印的材料经810℃/30分钟wq 450℃/8hac固溶时效热处理的强度明显高于常规锻造加工的材料经810℃/30分钟wq 450℃/8hac固溶时效的强度；两种方法制备的材料的塑性一致。也就是说，3d打印的材料强度、塑性匹配更好良好，强度超过了常规锻造加工的材料。
[0056]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。