CN101223294A - 用于制造钛合金结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造Ti合金结构的方法，其使用具有作为高能源的焊炬的SFFF制造方法，其包括使用作为进料的由Ti海绵体和合金粉末制成的进料丝，或者在熔体中原位形成Ti合金。

Description

用于制造钛合金结构的方法
本发明涉及一种由钛(Ti)、钛合金和钛复合材料形成的成形体或部件的制造。本发明在由Ti-6Al-4V(Ti-6-4)合金形成的成形体或部件的制造中具有特别的效用，并且将对其进行关于这种效用方面的描述，尽管预期有其它效用。
由于钛部件的低重量、优异的机械性能和抗腐蚀性，其在军事及商业用途中的重要性不断增加。然而，常规的制造方法例如熔模铸造和冲压石墨铸造(ram graphite casting)导致了近净形结构的高成本。这是由于包括材料成本、制模成本及包括劳动力成本在内的加工成本的因素的组合。另外，铸件经常具有损害部件机械性能的缺陷和空隙。快速制造方法，也称作固体自由成形制造(SFFF)，其使用激光来熔化钛，能够沉积出三维近净形而不需要制模。然而，用于激光SFFF方法的资金与操作费用导致部件的成本显著地高于熔模或冲压石墨铸造。
在SFFF方法中使用PTA炬(torch)能够以低于常用Ti合金制造方法例如熔模铸造或冲压石墨铸造的成本制造三维的或成形的部件。尽管与可得到的其它替换方法相比，PTA-SFFF方法可降低Ti合金部件的成本，但常规的PTA-SFFF方法仍需要使用较昂贵的钛合金丝或粉末进料。因此，希望进一步降低成本以便能够在更宽的应用范围内使用Ti合金。由PTA-SFFF方法制造的近净形部件的成本分析显示，单一最大成本因素是钛进料的成本，其可以是粉末或丝。其中能够购得的Ti的最低成本形式是以初级海绵体形式。然而，市售的Ti海绵体不含有任何合金化元素，因此不能够有利地用在SFFF方法中来制造高强度合金。因此，通常使用预合金粉末或者预合金焊丝作为SFFF方法的进料。然而，合金粉末的成本高于焊丝的成本，因此为了更低成本的SFFF方法，通常优选使用丝。纯Ti丝(CP Ti)的成本低于合金化的Ti丝的成本，并且用于成本降低的一种潜在途径是使用CP Ti丝并使用合金化元素作为共进料来制造合金。事实上，有大量描述包含所需合金化元素粉末的Ti焊丝的制造的现有技术。例如，US专利第2,785,285号描述了用所需的合金粉末填充钛的细长圆环形闭合套(closed sheath)。另一现有技术专利描述了用压实的合金粉末填充的Ti管。然而，在所有引用的例子中，需要使用预成形的金属套。这是种花成本的方法，尽管这些方法在用于SFFF方法时能够制造合金钛型材，但由于材料成本而没有经济优势。US专利第6,680,456号描述了用于包括Ti在内的金属的PTA-SFFF制造的传统成形的丝进料的使用。然而，该专利方法也具有高材料成本的缺点。
本发明利用高能等离子体束例如焊炬来替代通常用于SFFF方法的非常昂贵的激光，通过使钛进料与合金化元素以一种显著降低了原料成本的方法相组合，而具有了相对低成本的钛进料材料。更具体地，在本发明的一个方面中，使用了成本比合金丝低的纯钛丝(CP Ti)，并且通过用焊炬的熔体或其它高功率能量束使CP Ti丝与粉末状合金化组分组合，使CP Ti丝与粉末状合金化组分在SFFF方法中原位组合。在另一实施方案中，本发明使用了与合金化元素混合的并成形为丝的钛海绵体材料，其中该海绵体材料可与等离子体焊炬或其它高功率能量束结合用于SFFF方法中来制造近净形钛部件。
由结合了附图的以下详细描述，本发明的进一步的特征和优点会变得明显，在附图中，相同的数字表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的PTA-SFFF等离子体转移电弧(transferredarc)***的局部截面的透视图；
图2是未合金化的Ti颗粒与合金化元素的粉末混合的示意性流向图；
图3是未合金化的Ti颗粒与合金化元素的粉末和陶瓷粉末混合的示意性流向图；
图4是通过经过一系列n组辊和任选的圆形拉丝模将粉末混合物加工成丝形式的示意图；
图5是可用于实施本发明的商业等离子体转移电弧固体自由成形制造的制造装置。
由于其优越的机械性能，最常用的Ti合金是Ti-6Al-4V(Ti-6-4)。结果，其被用于大多数的军事和商业用途。然而，Ti与其合金是昂贵的并且机器加工费用也高。在下面的表I中示出了对于PTA-SFFF方法和目前使用的其它常规制造方法的，和对于根据本发明的使用更低成本进料材料的，基于2004年中期Ti的任意一天的价格的Ti-6-4近净形部件制造的有代表性的费用。对于基准PTA-SFFF制造，市售Ti-6-4焊丝用作金属源。
表I：用于近净形Ti-6-4部件的成本
Figure A20068000497500061
1.完全机器加工的部件的成本通常为$100-125/磅。
2.某些单元的不粘附喷涂物(overspray)可通常为80％，并且没有证明回收的粉末可制造出可接受的材料。这可使价格由$129/磅升至$413/磅。
3.包括20％的PTA和激光加工的利润补偿。
4.PTA-SFFF＝等离子体转移电弧固体自由成形制造。
5.基于$4.00/磅CP海绵体。
已证明，通过使纯Ti粉末与预合金的Al-V粉末组合，可在激光SFFF方法中原位形成近净形Ti-6-4部件。然而，使用了激光能源方法的激光SFFF制造的部件的成本较高。见上面表I，用根据本发明的PTA-SFFF方法使用较低成本的化学纯(CP)Ti丝和Al-V预合金粉末，使得可以显著降低的成本制造近净形Ti-6-4部件。
参考图1和5，本发明使用了具有较低成本的钛进料材料的PTA-SFFF等离子体转移电弧***。在本发明的一个方面，这种钛进料材料包含由供丝装置14供给的纯钛丝(CP Ti)，其用来与从等离子体转移电弧焊炬18中出来的合金粉末16的熔体组合。由给料器20将粉末合金组分施加到等离子体焰炬。进料丝与合金组分组合以在熔体中原位形成钛合金，其中它们可沉积在目标基底22的表面24上。
同样参考图5，说明了根据本发明用于制造三维结构的装置。该装置包括基底60和支撑密闭的沉积台64的框架62，沉积台64装有图1的等离子体转移电弧***10。箱(bellow)68容纳沉积台在框架62上64的运动。
通过多轴运行控制器(未示出)例如多轴CNC控制器或多轴机器人控制器来控制等离子体焰炬头(torch head)的位置。控制焰炬头的运行，以便在目标基底22的表面24上沉积金属合金的三维结构。也可旋转和倾斜目标基底以进一步控制沉积。
参考图2-4，在另一实施方案中，通过使用具有用于PTA的新的低成本进料丝的PTA-SFFF方法，本发明提供了比目前使用的常规制造方法甚至更大的成本降低，其中新的低成本进料丝是低成本Ti海绵体与Al-V粉末的混合物。Al-V粉末可以是预合金的或两种元素的合金化粉末的混合物。参考图2和3，在图2和3所示的剪切混合机内的混合阶段30处，通过首先使初级Ti海绵体材料与Al和V粉末或Al-V预合金粉末组合并混合来制造低成本进料丝。Ti海绵体材料的延展性足够高，使得其可在剪切混合机内流动并与合金粉末混合。
将Al-V粉末或Al-V预合金粉末混合并在混合机32内粉碎至优选不超过约5mm的颗粒尺寸。如果需要，通过在混合阶段内添加一种或多种陶瓷颗粒，可在丝中包含该一种或多种陶瓷颗粒，如图3所示。
同样参考图4，然后将混合的粉末供给包含一连串辊42a、42b...42n的拉制阶段34，其中用足够的力将非常有延展性的钛海绵体和合金化的粉末挤压在一起，来制造伸长体46，伸长体46利用多次缩径而获得足够的强度来用作用于PTA-SFFF***的进料丝。辊42a、42b...42n的每一组，其可为3辊组、4辊组或更多辊的组，其直径逐渐减小并且逐渐靠拢得更紧，以便使丝的直径减至通常为约0.025”至约0.125”的目标直径。在最初的辊组中，由于辊之间的间距，丝的表面有一定程度的不对称性。然而，当该丝逐次通过越来越精细的辊组时，降低了这种不对称性。当然，通过增加每个阶段辊的数量也可降低丝的不对称性。最终的丝具有足够的尺寸稳定性和强度，因此能够通过送丝装置被供给到PTA-SFFF熔池中，在其中钛海绵体与Al-V粉末熔成合金来制造Ti-6A-4V和其它所选择的合金。在用辊加工至可以经受将丝从模中拉过的应力的足够强度之后，也可将该丝通过可选择的圆形拉丝模50。
由于纯Ti海绵体固有的高延展性，通过混合和轧制有可能形成Ti合金线。Ti海绵体的延展性致使T i在经过一系列缩径区辊挤压时变得基本上“自结合的(self bonded)”，并且捕集了合金组分和陶瓷粉末。然后当通过PTA方法熔化进料丝时，在凝固之前钛与捕集的粉末熔成合金。因此，得到的丝然后可用作PTA-SFFF方法中的进料丝来构成近净形部件，即如图1所示。
由以下非限制性实施例，本发明会更加明白。
实施例1
将直径为0.080”的CP Ti丝加入到图1所示意性示出的PTA-SFFF装置的PTA炬中。同时，将预合金的Al-V粉末供给到PTA炬中。其结果是，Ti、Al和V在由等离子体产生的熔池内即刻被熔成合金。将预混合的Ti-6-4组合物成形为三维形状，其具有与Ti-6-4等同的组成，但是成本比铸造产品低很多。PTA-SFFF所形成的材料的显微组织比铸造产品更精细，并且没有缺陷，其产生通常比铸造产品优越的性能。
实施例2
如图2中所示，用Ti海绵体与预合金的Al-V粉末混合。靠通过图4中所示的在每组辊之间具有缩径区域的一系列4个辊轧机进行加工，将这种混合物成形为连续的丝。将这种形成的复合丝供给到图5中所示的PTA-SFFF装置内，来制造具有Ti-6-4的显微组织、组成和性能但成本低很多的Ti-6-4三维型材。
实施例3
如图3中所示，将钛海绵体与用以制造Ti-6Al-4V合金的元素钒和铝粉末混合，并与TiB2粉末混合，其中TiB2粉末为Ti-6Al-4V合金的10体积％。将该混合物通过如图4中所示的连续辊压制机，来制造供给到PTA***中的丝。使用如图5中所示的PTA-SFFF装置制造近净形的由Ti-6Al-4V/10％(体积)TiB2组成的金属陶瓷。
可使用纳米颗粒尺寸的陶瓷粉末来制造分散强化的钛合金，或者使用更高量的陶瓷粉末来制造高硬化材料，以提供例如弹道装甲的功能。使用更低浓度例如1/4-2体积％的纳米颗粒能够制造出更加抗磨损性的钛而不会不利地影响成形部件的延展性。添加例如B、TiC和B4C的颗粒可获得更高的强度。
本发明易于修正。例如，可以不同的比例添加合金化元素。而且与Al和V不同的或除Al和V之外的合金化元素例如Mo、B、Fe、Sn等可结合到钛海绵体内或者与CP Ti丝形成合金来实际制造任何钛合金。当由等离子能源熔化时，陶瓷颗粒例如TiB2、TiN、TiC、B4C和Y2O3也可与钛或合金粉末混合来制造金属陶瓷。不同于PTA的能源可用来熔化CP丝或形成的复合钛进料丝也是可能的。实施例包括：MIG焊机、TIG焊机、电子束(E-beam)焊机和甚至火焰炬，只要不发生钛的氧化和碳化。

Claims (35)

1.一种用于制造Ti合金结构的方法，其使用具有高能源的SFFF制造方法，其包括使用作为进料的由Ti海绵体与合金化元素制成的进料丝。
2.按照权利要求1的方法制得的产品。
3.权利要求1的方法，其中高能源是等离子体转移电弧***。
4.权利要求1的方法，其中高能源是TIG型焊炬。
5.权利要求1的方法，其中高能源是MIG型焊炬。
6.权利要求1的方法，其中高能源是电子束型焊炬。
7.权利要求1的方法，其中合金结构包含Ti-6Al-4V。
8.权利要求2的产品，其中合金结构包含Ti-6Al-4V。
9.权利要求1的方法，其中粉末状合金化元素包含预合金化的Al-V。
10.一种制造Ti和所选择的合金化元素的丝的方法，其包括使CPTi海绵体材料和所述所选择的合金化元素的混合物通过一系列辊来压制混合物并且制造丝的形式。
11.权利要求10的方法，其中合金化元素包含Al和V粉末。
12.权利要求10的方法，其中合金化元素包含预合金化的Al-V粉末。
13.权利要求11的方法，其中粉末具有不超过约5mm的颗粒尺寸。
14.权利要求12的方法，其中粉末具有不超过约5mm的颗粒尺寸。
15.一种制造钛合金的方法，其包括，混合陶瓷颗粒、钛和所选择的合金化元素，使该混合物通过压制辊来制造丝，并且将该丝供给到SFFF工艺来制造其中含有分散的陶瓷颗粒的钛合金。
16.权利要求15的方法，其中陶瓷颗粒是纳米尺寸。
17.权利要求16的方法，其中陶瓷颗粒构成混合物的1/4-2体积％。
18.权利要求15的方法，其中陶瓷颗粒构成混合物的5-30体积％。
19.权利要求18的方法，其中陶瓷颗粒构成混合物的约10体积％。
20.权利要求15的方法，其中陶瓷颗粒包含选自TiB2、TiN、TiC、B4C和Y2O3的材料。
21.权利要求17的方法，其中陶瓷颗粒与钛合金相互作用来增强强度或抗磨损性。
22.权利要求21的方法，其中陶瓷颗粒包含B4C。
23.权利要求21的方法，其中陶瓷颗粒包含TiC和B。
24.一种用于制造Ti合金结构的方法，其使用具有高能源的SFFF制造方法，其中在高能源中熔化进料材料，其包括使Ti进料丝与粉末状合金化元素组合并且在熔体中原位地形成Ti合金。
25.由权利要求24的方法制得的产品。
26.权利要求24的方法，其中高能源是等离子体转移电弧***。
27.权利要求24的方法，其中高能源是TIG型焊炬。
28.权利要求24的方法，其中高能源是MIG型焊炬。
29.权利要求24的方法，其中高能源是电子束型焊炬。
30.权利要求24的方法，其中合金结构包含Ti-6Al-4V。
31.权利要求25的产品，其中合金结构包含Ti-6Al-4V。
32.权利要求24的方法，其中粉末状合金化元素包含预合金化的Al-V。
33.权利要求24的方法，其中粉末状合金化元素包含Al和V。
34.权利要求32的方法，其中粉末状合金化元素具有不超过约5mm的颗粒尺寸。
35.权利要求33的方法，其中粉末状合金化元素具有不超过约5mm的颗粒尺寸。
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