一种具有隔绝层的3D打印用TiAlNb复合丝及其制备方法与流程

本发明属于tialnb合金，具体涉及一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝及其制备方法。

背景技术：

1、作为一种轻质高温结构材料，tialnb合金因具有比强度高、高温性能、高温抗氧化性及抗蠕变性能好等优点，受到了世界各国的广泛关注。与tial合金相比，其工作温度范围得到提升，有望满足航空航天等领域高温服役构件的性能指标。然而，传统铸造方法得到的tialnb合金组织偏析严重，这是由于合金元素的熔点差异较大；熔炼法得到的tialnb合金容易产生气孔和夹杂，影响合金的性能；粉末冶金法将ti、al和nb元素混合粉末烧结成形为tialnb多孔合金，致密性难以满足要求。可以发现采用上述传统工艺难以制备兼具低成本与高性能的均质tialnb合金构件，进而限制了其在很多领域的广泛应用。随着航空航天制造技术的飞速发展，复杂精密构件的应用需求越来越强烈。

2、增材制造是近些年快速发展起来的一种基于分层累加原理的先进制造技术，可以实现三维构件的快速与自由制造。该技术具有加工周期短、无模成形、材料利用率高及可实现复杂结构与形状构件制造等优点，适用于tialnb合金复杂构件的快速制备。目前，tialnb合金增材制造大都采用粉末增材的方式。但是，ti元素活性较高，现有制粉工艺下粉末产量和收得率相对较低，导致粉末的生产成本较高。相比于铺粉和送粉工艺，送丝工艺兼具成本低、材料利用率高和产品性能较优等优点，被广泛应用于大型复杂金属结构件的生产制造。

3、传统铸造法、熔炼法与粉末冶金法无法制备兼具高尺寸精度与高服役性能的钛铝铌合金构件，难以满足航空航天等领域对复杂构件的需求。相比于铺粉与送粉工艺，送丝技术不需要高质量的粉末原材料，具有操作简单、材料利用率高、成本低、合金成分可设计等优点，使得电弧熔丝增材制造有望满足对tialnb复杂构件的制造需求。

4、对于电弧熔丝增材制造，原材料丝材对于最终构件的性能有着关键性作用。相比于多丝送丝机构，电弧增材制造过程中单丝送丝机构操作简单，不牵涉多丝间干涉问题。同时，可以根据tialnb合金成分设置丝材结构，无需考虑多种丝材间沉积速率的差异。但是，tialnb合金尤其是高al含量合金室温塑性差难以实现拉丝成形，使得直接采用tialnb合金丝进行熔丝增材制造的成本高、可行性低。因而，制备tialnb复合丝成为熔丝增材制造tialnb合金构件的前提。已有研究表明，钛铝合金容易形成tial3和tial硬脆相，影响钛铝界面结合性能及塑性，使后续丝材难以加工变形。

5、综上，为了获得兼具塑性和界面结合率的tialnb复合丝，避免金属间化合物的产生成为一大难题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝。该tialnb复合丝采用钛管或钛合金管作为外层材料，采用铝丝或铝合金丝作为内层材料，采用铌管作为外层材料和内层材料的隔绝层，即对外层材料和内层材料进行分隔，避免金属间化合物的产生，提高tialnb复合丝的性能；由于铝的熔点低且容易氧化，将铝作为内层材料可以防止氧化物的生成，减少增材制造过程中的损耗，实现了单根tialnb复合丝增材制造tialnb合金构件。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝，其特征在于，该tialnb复合丝由外到内依次为外层材料、隔绝层材料和内层材料；所述外层材料为钛管或钛合金管，隔绝层材料为铌管，内层材料为铝丝或铝合金丝。

3、本发明中采用钛管或钛合金管作为外层材料，采用铝丝或铝合金丝作为内层材料，采用铌管作为外层材料和内层材料的隔绝层，即对外层材料和内层材料进行分隔，避免硬脆相tial3和tial的产生，提高tialnb复合丝的性能，实现采用单根tialnb复合丝制造高性能tialnb合金构件，适用范围广。

4、本发明中由于铝的熔点低且容易氧化，将铝作为内层材料可以防止氧化物的生成，减少增材制造过程中的损耗，此外，铌与钛或钛合金之间可以形成良好的结合，且无金属间化合物形成，提高tialnb复合丝的性能；对于铌-铝系材料，nb与al只有在温度达到1940℃以上时才会生成nb3al金属间化合物，而tialnb复合丝的成形及热处理温度远远小于1940℃，因此，整个丝材制备过程无金属间化合物形成，保证了良好的塑性和界面结合率。

5、本发明中tialnb复合丝采用外层材料、隔绝层材料和内层材料通过旋锻和拉拔工艺获得，多层结构间的成分梯度过渡可以满足界面的结合强度，外层材料与内层材料的成分可以根据实际需求进行合金化设计，添加的合金元素为nb、mo、fe、zr、v、cr、mn、cu的单个或任意组合，添加的微量元素为b、c、n、si的单个或任意组合，添加的稀土元素为la、ce、y、gd、pr的单个或任意组合。

6、上述的一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝，其特征在于，所述外层材料的外径、隔绝层材料的外径和内层材料的直径之比为2.1~2.6：1.3~1.9：1。本发明通过控制外层材料的外径、隔绝层材料的外径和内层材料的直径之比，也就是控制tialnb复合丝中三种材料占丝材的体积比，控制tialnb复合丝中每种成分的含量，满足不同条件下的3d打印要求，制备不同的tialnb合金构件。

7、另外，本发明还提供了一种制备具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

8、步骤一、选取相应尺寸的外层材料、隔绝层材料与内层材料，并进行清洗，得到纯净的外层材料、隔绝层材料及内层材料；

9、步骤二、将步骤一中得到的纯净的内层材料穿入纯净的隔绝层材料，之后整体导入纯净的外层材料，得到复合丝坯料；

10、步骤三、将步骤二中得到的复合丝坯料进行旋锻，得到复合丝材；

11、步骤四、将步骤三中得到的复合丝材进行真空热处理，得到真空热处理复合丝材；

12、步骤五、将步骤四中得到的真空热处理复合丝材进行拉拔，得到拉拔复合丝材；

13、步骤六、将步骤五中得到的拉拔复合丝材在真空环境下进行成品热处理，得到成品热处理复合丝材；

14、步骤七、将步骤六中得到的成品热处理复合丝材进行磨光处理，得到具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝。

15、本发明根据所需的tialnb复合丝成分，选取相应尺寸及规格的钛管或钛合金管、铌管及铝丝或铝合金丝，并采用物理或化学法进行表面处理即清洗，得到无任何污染的外层材料、隔绝层材料与内层材料；本发明通过旋锻和拉拔工艺，使外层材料、隔绝层材料与内层材料进行均匀变形，控制变形过程中的材料流动，满足多层材料的协调变形，制备所需直径的tialnb复合丝，生产工艺简单易行，tialnb复合丝中铌作为隔绝层材料，防止金属间化合物的生成，旋锻、拉拔过程后的真空热处理和成品热处理可以消除应力，有助于后续变形过程中材料的均匀流动，避免出现折叠、开裂等缺陷，得到具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝。

16、本发明中根据tialnb复合丝的几何规格进行磨光处理，误差为±0.02mm。

17、上述的方法，其特征在于，步骤三中所述旋锻的变形量为20%~35%。本发明通过控制旋锻的变形量在保证均匀变形的同时避免真空热处理复合丝材开裂。

18、上述的方法，其特征在于，步骤四中所述真空热处理的温度为610℃~630℃，时间为40min~60min。本发明通过控制真空热处理的参数在保证去应力的同时缩短退火时间。

19、上述的方法，其特征在于，步骤四中得到的所述真空热处理复合丝材重复进行一次或多次步骤三和步骤四。本发明根据最终的具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝的直径需求和便于拉拔进行为标准，控制步骤三和步骤四的进行次数，得到合适直径的真空热处理复合丝材，便于后续拉拔的进行，同时也保证了复合丝界面的结合力，避免真空热处理复合丝材开裂。

20、上述的方法，其特征在于，步骤五中所述拉拔的过程为：先以单次变形量小于50%进行一道次或多道次拉拔，当总变形量达到40%~60%时，在610℃~630℃温度下进行40min~60min的退火，然后再次进行一道次或多道次拉拔。本发明中先进行一道次或多道次拉拔，减小真空热处理复合丝材的直径，达到一定变形量后，进行退火，消除应力，然后再次进行一道次或多道次拉拔直至所需直径后停止，在保证均匀变形的同时避免复合丝开裂，得到界面结合和表面质量良好的具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝。

21、上述的方法，其特征在于，步骤六中所述成品热处理的温度为610℃~630℃，时间为40min~60min。本发明通过控制成品热处理的参数，在去应力的同时降低成品热处理复合丝材的强度、硬度，有利于后续的磨光处理。

22、本发明与现有技术相比具有以下优点：

23、1、本发明中采用钛管或钛合金管作为外层材料，采用铝丝或铝合金丝作为内层材料，采用铌管作为外层材料和内层材料的隔绝层，即对外层材料和内层材料进行分隔，避免金属间化合物的产生，提高tialnb复合丝的性能；由于铝的熔点低且容易氧化，将铝作为内层材料可以防止氧化物的生成，减少增材制造过程中的损耗，实现了单根tialnb复合丝增材制造tialnb合金构件。

24、2、本发明根据所需的tialnb复合丝成分，选取相应尺寸及规格的钛管或钛合金管、铌管及铝丝或铝合金丝，通过旋锻和拉拔工艺，使外层材料、隔绝层材料与内层材料进行均匀变形，控制变形过程中的材料流动，满足多层材料的协调变形，制备所需直径的tialnb复合丝，tialnb复合丝中铌作为隔绝层材料，防止金属间化合物的生成，旋锻、拉拔过程后的真空热处理和成品热处理可以消除应力，有助于后续变形过程中材料的均匀流动，避免出现折叠、开裂等缺陷，整个丝材制备过程无金属间化合物形成，保证了良好的塑性和界面结合率。

25、3、本发明通过对外层材料、隔绝层材料和内层材料的外径进行控制，设计tialnb复合丝的成分，满足不同成分的tialnb合金增材制造，得到不同成分、组织与性能的tialnb合金构件。

26、4、本发明的tialnb复合丝进行电弧增材制造过程中，沉积效率高，可以高效制备tialnb合金复杂结构件，实现了单根丝原位增材制造tialnb合金。

27、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝，其特征在于，该tialnb复合丝由外到内依次为外层材料、隔绝层材料和内层材料；所述外层材料为钛管或钛合金管，隔绝层材料为铌管，内层材料为铝丝或铝合金丝。

2.根据权利要求1所述的一种具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝，其特征在于，所述外层材料的外径、隔绝层材料的外径和内层材料的直径之比为2.1~2.6：1.3~1.9：1。

3.一种制备如权利要求1或2中所述的具有隔绝层的3d打印用tialnb复合丝的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三中所述旋锻的变形量为20%~35%。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤四中所述真空热处理的温度为610℃~630℃，时间为40min~60min。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤四中得到的所述真空热处理复合丝材重复进行一次或多次步骤三和步骤四。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤五中所述拉拔的过程为：先以单次变形量小于50%进行一道次或多道次拉拔，当总变形量达到40%~60%时，在610℃~630℃温度下进行40min~60min的退火，然后再次进行一道次或多道次拉拔。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤六中所述成品热处理的温度为610℃~630℃，时间为40min~60min。

技术总结
本发明公开了一种具有隔绝层的3D打印用TiAlNb复合丝，该TiAlNb复合丝由外到内依次为外层材料、隔绝层材料和内层材料；外层材料为钛管或钛合金管，隔绝层材料为铌管，内层材料为铝丝或铝合金丝。本发明还提供了一种具有隔绝层的3D打印用TiAlNb复合丝的制备方法，该方法将外层材料、隔绝层材料与内层材料组装成复合丝坯料后进行旋锻和拉拔并配合真空热处理和成品热处理得到TiAlNb复合丝。本发明采用铌管作为隔绝层，避免金属间化合物的产生，采用旋锻和拉拔控制TiAlNb复合丝变形过程的材料流动，制备的TiAlNb复合丝层间界面结合良好，实现了单根TiAlNb复合丝增材制造TiAlNb合金构件。

技术研发人员：张鹏飞,刘蒙蒙,姬坤海,张凌峰,赵恺,杨光,赵恒章
受保护的技术使用者：西安稀有金属材料研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23