專利名稱：用于制造鈦合金結(jié)構(gòu)的方法
用于制造鈦合金結(jié)構(gòu)的方法本發(fā)明涉及一種由鈦(Ti)、鈦合金和鈦復(fù)合材料形成的成形體 或部件的制造。本發(fā)明在由Ti-6A1-4V (Ti-6-4)合金形成的成形體 或部件的制造中具有特別的效用，并且將對其進(jìn)行關(guān)于這種效用方面 的描述，盡管預(yù)期有其它效用。由于鈦部件的低重量、優(yōu)異的機械性能和抗腐蝕性，其在軍事及 商業(yè)用途中的重要性不斷增加。然而，常規(guī)的制造方法例如熔模鑄造 和沖壓石墨鑄造(ram graphite casting)導(dǎo)致了近凈形結(jié)構(gòu)的高成 本。這是由于包括材料成本、制模成本及包括勞動力成本在內(nèi)的加工 成本的因素的組合。另外，鑄件經(jīng)常具有損害部件機械性能的缺陷和 空隙。快速制造方法，也稱作固體自由成形制造(SFFF)，其使用激 光來熔化鈦，能夠沉積出三維近凈形而不需要制模。然而，用于激光 SFFF方法的資金與操作費用導(dǎo)致部件的成本顯著地高于熔?；驔_壓 石墨鑄造。在SFFF方法中使用PTA炬(torch )能夠以低于常用Ti合金制造 方法例如熔模鑄造或沖壓石墨鑄造的成本制造三維的或成形的部件。 盡管與可得到的其它替換方法相比，PTA-SFFF方法可降低Ti合金部 件的成本，但常規(guī)的PTA-SFFF方法仍需要使用較昂貴的鈦合金絲或粉 末進(jìn)料。因此，希望進(jìn)一步降低成本以便能夠在更寬的應(yīng)用范圍內(nèi)使 用Ti合金。由PTA-SFFF方法制造的近凈形部件的成本分析顯示，單 一最大成本因素是鈦進(jìn)料的成本，其可以是粉末或絲。其中能夠購得 的Ti的最低成本形式是以初級海綿體形式。然而，市售的Ti海綿體 不含有任何合金化元素，因此不能夠有利地用在SFFF方法中來制造高 強度合金。因此，通常使用預(yù)合金粉末或者預(yù)合金焊絲作為SFFF方法 的進(jìn)料,，然而，合金粉末的成本高于焊絲的成本，因此為了更低成本 的SFFF方法，通常優(yōu)選使用絲。純Ti絲(CPTi)的成本低于合金化成本降低的一種潛在途徑是使用CPTi絲并 使用合金化元素作為共進(jìn)料來制造合金。事實上，有大量描述包含所 需合金化元素粉末的Ti焊絲的制造的現(xiàn)有技術(shù)。例如，US專利第 2， 785， 285號描述了用所需的合金粉末填充鈦的細(xì)長圓環(huán)形閉合套 (closed sheath)。另 一現(xiàn)有技術(shù)專利描述了用壓實的合金粉末填充 的Ti管。然而，在所有引用的例子中，需要使用預(yù)成形的金屬套。這 是種花成本的方法，盡管這些方法在用于SFFF方法時能夠制造合金鈦 型材，但由于材料成本而沒有經(jīng)濟優(yōu)勢。US專利第6, 680, 456號描述 了用于包括Ti在內(nèi)的金屬的PTA-SFFF制造的傳統(tǒng)成形的絲進(jìn)料的使 用。然而，該專利方法也具有高材料成本的缺點。本發(fā)明利用高能等離子體束例如焊炬來替代通常用于SFFF方法 的非常昂貴的激光，通過使鈦進(jìn)料與合金化元素以一種顯著降低了原 料成本的方法相組合，而具有了相對低成本的鈦進(jìn)料材料。更具體地， 在本發(fā)明的一個方面中，使用了成本比合金絲低的純鈦絲(CP Ti)， 并且通過用焊炬的熔體或其它高功率能量束使CP Ti絲與粉末狀合金 化組分組合，使CP Ti絲與粉末狀合金化組分在SFFF方法中原位組合。 在另一實施方案中，本發(fā)明使用了與合金化元素混合的并成形為絲的 錸海綿體材料，其中該海綿體材料可與等離子體焊炬或其它高功率能 量束結(jié)合用于SFFF方法中來制造近凈形鈦部件。由結(jié)合了附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點會 變得明顯，在附圖中，相同的數(shù)字表示相同的部件，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的PTA-SFFF等離子體轉(zhuǎn)移電弧(transferred arc)系統(tǒng)的局部截面的透視圖；圖2是未合金化的Ti顆粒與合金化元素的粉末混合的示意性流向閨；圖3是未合金化的Ti顆粒與合金化元素的粉末和陶瓷粉末混合的 示意性流向圖；圖4是通過經(jīng)過一系列n組輥和任選的圓形拉絲模將粉末混合物 加工成絲形式的示意圖；圖5是可用于實施本發(fā)明的商業(yè)等離子體轉(zhuǎn)移電弧固體自由成形 制造的制造裝置。由于其優(yōu)越的機械性能，最常用的Ti合金是Ti-6A1-4V( Ti-6-4 )。 結(jié)果，其被用于大多數(shù)的軍事和商業(yè)用途。然而，Ti與其合金是昂貴 的并且機器加工費用也高。在下面的表I中示出了對于PTA-SFFF方法 和目前使用的其它常規(guī)制造方法的，和對于根據(jù)本發(fā)明的使用更低成 本進(jìn)料材料的，基于2004年中期Ti的任意一天的價格的Ti-6-4近凈 形部件制造的有代表性的費用。對于基準(zhǔn)PTA-SFFF制造，市售Ti-6-4 焊絲用作金屬源。表I:用于近凈形Ti-6-4部件的成本1.2.方法鑄錠假定售價/磅，以價格/in3 部件形式$25/磅熔模鑄造 沖壓石墨鑄造激光SFFF PTA-SFFF4 PTA-SFFF PTA—SFFF$70$50-55 $1293$383$253$163， 5$46"圓坯段，需要大量 機加工 報價 報價粉末^60/磅，具有 20%的不粘附噴涂物2 Ti-6-4絲的批量價格 扭$23/磅CP Ti絲鄉(xiāng)14/磅加上 Al-V粉末混合的Ti海綿體 +A1-V,軋制成絲 完全機器加工的部件的成本通常為$100-125/磅。 某些單元的不粘附噴涂物(overspray)可通常為80%,并且沒有 證明回收的粉末可制造出可接受的材料。這可使價格由$129/磅升至 $413/磅。3. 包括20%的PTA和激光加工的利潤補償。4. PTA-SFFF-等離子體轉(zhuǎn)移電弧固體自由成形制造。5. 基于$4. 00/磅CP海綿體。已證明，通過使純Ti粉末與預(yù)合金的Al-V粉末組合，可在激光 SFFF方法中原位形成近凈形Ti-6-4部件。然而，使用了激光能源方 法的激光SFFF制造的部件的成本較高。見上面表I ，用根據(jù)本發(fā)明的 PTA-SFFF方法使用較低成本的化學(xué)純(CP ) Ti絲和A1-V預(yù)合金粉末， 使得可以顯著降低的成本制造近凈形Ti-6-4部件。參考圖1和5，本發(fā)明使用了具有較低成本的鈦進(jìn)料材料的 PTA-SFFF等離子體轉(zhuǎn)移電弧系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個方面，這種鈦進(jìn)料 材料包含由供絲裝置14供給的純鈦絲(CP Ti)，其用來與從等離子 體轉(zhuǎn)移電弧焊炬18中出來的合金粉末16的熔體組合。由給料器20 將粉末合金組分施加到等離子體焰炬。進(jìn)料絲與合金組分組合以在熔 體中原位形成鈦合金，其中它們可沉積在目標(biāo)基底22的表面24上。同樣參考圖5，說明了根據(jù)本發(fā)明用于制造三維結(jié)構(gòu)的裝置。該 裝置包括基底60和支撐密閉的沉積臺64的框架62，沉積臺64裝有 圖1的等離子體轉(zhuǎn)移電弧系統(tǒng)10。箱(bellow) 68容納沉積臺在框架 62上64的運動。通過多軸運行控制器(未示出)例如多軸CNC控制器或多軸機器人控制器來控制等離子體焰炬頭(torch head)的位置?？刂蒲婢骖^的運行，以便在目標(biāo)基底22的表面24上沉積金屬合金的三維結(jié)構(gòu)。也可旋轉(zhuǎn)和傾斜目標(biāo)基底以進(jìn)一步控制沉積。參考圖2-4,在另一實施方案中，通過使用具有用于PTA的新的低成本進(jìn)料絲的PTA-SFFF方法，本發(fā)明提供了比目前使用的常規(guī)制造 方法甚至更大的成本降低，其中新的低成本進(jìn)料絲是低成本Ti海綿體 與Al-V粉末的混合物。Al-V粉末可以是預(yù)合金的或兩種元素的合金 化粉末的混合物。參考圖2和3，在圖2和3所示的剪切混合;l^內(nèi)的 混合階段30處，通過首先使初級Ti海綿體材料與Al和V粉末或Al-V預(yù)合金粉末組合并混合來制造低成本進(jìn)料絲。Ti海綿體材料的延展性 足夠高，使得其可在剪切混合機內(nèi)流動并與合金粉末混合。將Al-V粉末或Al-V預(yù)合金粉末混合并在混合機32內(nèi)粉碎至優(yōu)選 不超過約5mm的顆粒尺寸。如果需要，通過在混合階段內(nèi)添加一種或 多種陶瓷顆粒，可在絲中包含該一種或多種陶資顆粒，如圖3所示。同樣參考圖4，然后將混合的粉末供給包含一連串輥42a、 42b… 42n的拉制階段34，其中用足夠的力將非常有延展性的鈦海綿體和合 金化的粉末擠壓在一起，來制造伸長體46，伸長體46利用多次縮徑 而獲得足夠的強度來用作用于PTA-SFFF系統(tǒng)的進(jìn)料絲。輥42a、 42b… 42n的每一組，其可為3輥組、4輥組或更多輥的組，其直徑逐漸減小 并且逐漸靠攏得更緊，以便使絲的直徑減至通常為約0.025"至約 0.125"的目標(biāo)直徑。在最初的輥組中，由于輥之間的間距，絲的表面 有一定程度的不對稱性。然而，當(dāng)該絲逐次通過越來越精細(xì)的輥組時， 降低了這種不對稱性。當(dāng)然，通過增加每個階段輥的數(shù)量也可降低絲 的不對稱性。最終的絲具有足夠的尺寸穩(wěn)定性和強度，因此能夠通過 送絲裝置被供給到PTA-SFFF熔池中，在其中鈦海綿體與Al-V粉末熔 成合金來制造Ti-6A-4V和其它所選擇的合金。在用輥加工至可以經(jīng)受 將絲從模中拉過的應(yīng)力的足夠強度之后，也可將該絲通過可選擇的圓 形拉絲模50。由于純Ti海綿體固有的高延展性，通過混合和軋制有可能形成 Ti合金線。Ti海綿體的延展性致使Ti在經(jīng)過一系列縮徑區(qū)輥擠壓時 定得基本上"自結(jié)合的(self bonded)"，并且捕集了合金組分和陶 乾粉末。然后當(dāng)通過PTA方法熔化進(jìn)料絲時，在凝固之前鈦與捕集的 粉末熔成合金。因此，得到的絲然后可用作PTA-SFFF方法中的進(jìn)料絲 來構(gòu)成近凈形部件，即如圖1所示。由以下非限制性實施例，本發(fā)明會更加明白。 實施例1將直徑為0. 080"的CPTi絲加入到圖1所示意性示出的PTA-SFFF 裝置的PTA炬中。同時，將預(yù)合金的Al-V粉末供給到PTA炬中。其結(jié)果是，Ti、 Al和V在由等離子體產(chǎn)生的熔池內(nèi)即刻被熔成合金。將預(yù) 混合的Ti-6-4組合物成形為三維形狀，其具有與Ti-6-4等同的組成， 但是成本比鑄造產(chǎn)品低很多。PTA-SFFF所形成的材料的顯微組織比鑄 造產(chǎn)品更精細(xì)，并且沒有缺陷，其產(chǎn)生通常比鑄造產(chǎn)品優(yōu)越的性能。 實施例2如圖2中所示，用Ti海綿體與預(yù)合金的A1-V粉末混合?？客ㄟ^ 圖4中所示的在每組輥之間具有縮徑區(qū)域的一系列4個輥軋機進(jìn)行加 工，將這種混合物成形為連續(xù)的絲。將這種形成的復(fù)合絲供給到圖'5 中所示的PTA-SFFF裝置內(nèi)，來制造具有Ti-6-4的顯微組織、組成和 性能但成本低很多的Ti-6-4三維型材。 實施例3如圖3中所示，將鈦海綿體與用以制造Ti-6Al-4V合金的元素釩 和鋁粉末混合，并與TiB2粉末混合，其中TiB2粉末為Ti-6A1-4V合金 的10體積％。將該混合物通過如圖4中所示的連續(xù)輥壓制機，來制造 供給到PTA系統(tǒng)中的絲。使用如圖5中所示的PTA-SFFF裝置制造近凈 形的由Ti-6A1-4V/10% (體積)TiB2組成的金屬陶瓷?？墒褂眉{米顆粒尺寸的陶瓷粉末來制造分散強化的鈦合金，或者 使用更高量的陶瓷粉末來制造高硬化材料，以提供例如彈道裝甲的功 能。使用更低濃度例如1/4-2體積％的納米顆粒能夠制造出更加抗磨損 性的鈦而不會不利地影響成形部件的延展性。添加例如B、 TiC和B4C 的顆?？色@得更高的強度。本發(fā)明易于修正。例如，可以不同的比例添加合金化元素。而且 與Al和V不周的或除Al和V之外的合金化元素例如Mo、 B、 Fe、 Sn等可結(jié)合到鈦海綿體內(nèi)或者與CP Ti絲形成合金來實際制造任何鈦合 余。當(dāng)由等離子能源熔化時，陶瓷顆粒例如TiB2、 TiN、 TiC、 B4C和 103也可與鈦或合金粉末混合來制造金屬陶瓷。不同于PTA的能源可 用來熔化CP絲或形成的復(fù)合鈦進(jìn)料絲也是可能的。實施例包括MIG 焊機、TIG焊機、電子束(E-beam)焊機和甚至火焰炬，只要不發(fā)生 鈦的氧化和碳化。
權(quán)利要求
1. 一種用于制造Ti合金結(jié)構(gòu)的方法，其使用具有高能源的SFFF制造方法，其包括使用作為進(jìn)料的由Ti海綿體與合金化元素制成的進(jìn)料絲。
2. 按照權(quán)利要求1的方法制得的產(chǎn)品。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中高能源是等離子體轉(zhuǎn)移電弧系統(tǒng)。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中高能源是TIG型焊炬。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中高能源是MIG型焊炬。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中高能源是電子束型焊炬。
7. 權(quán)利要求l的方法，其中合金結(jié)構(gòu)包含Ti-6A1-4V。
8. 權(quán)利要求2的產(chǎn)品，其中合金結(jié)構(gòu)包含Ti-6A1-4V。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中粉末狀合金化元素包含預(yù)合金化的 A卜V。
10. —種制造Ti和所選擇的合金化元素的絲的方法，其包括使CP Ti海綿體材料和所述所選擇的合金化元素的混合物通過一系列輥來壓 制混合物并且制造絲的形式。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中合金化元素包含A1和V粉末。
12. 權(quán)利要求10的方法，其中合金化元素包含預(yù)合金化的Al-V粉末。
13. 權(quán)利要求11的方法，其中粉末具有不超過約5咖的顆粒尺寸。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中粉末具有不超過約5咖的顆粒尺寸。
15. —種制造鈦合金的方法，其包括，混合陶瓷顆粒、鈦和所選擇 的合金化元素，使該混合物通過壓制輥來制造絲，并且將該絲供給到 SFFF工藝來制造其中含有分散的陶瓷顆粒的鈦合金。
16. 權(quán)利要求15的方法，其中陶瓷顆粒是納米尺寸，
17. 權(quán)利要求16的方法，其中陶瓷顆粒構(gòu)成混合物的1/4-2體積％。
18. 權(quán)利要求15的方法，其中陶瓷顆粒構(gòu)成混合物的5-30體積％。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中陶瓷顆粒構(gòu)成混合物的約10體積％。
20. 權(quán)利要求15的方法，其中陶資顆粒包含選自TiB2、 TiN、 TiC、B4C和Y203的材料。
21. 權(quán)利要求17的方法，其中陶瓷顆粒與鈦合金相互作用來增強 強度或抗磨損性。
22. 權(quán)利要求21的方法，其中陶乾顆粒包含B4C。
23. 權(quán)利要求21的方法，其中陶瓷顆粒包含TiC和B。
24. —種用于制造Ti合金結(jié)構(gòu)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進(jìn)料材料，其包括使Ti進(jìn)料絲與粉末 狀合金化元素組合并且在熔體中原位地形成Ti合金。
25. 由權(quán)利要求24的方法制得的產(chǎn)品。
26. 權(quán)利要求24的方法，其中高能源是等離子體轉(zhuǎn)移電弧系統(tǒng)。
27. 權(quán)利要求24的方法，其中高能源是TIG型焊炬。
28. 權(quán)利要求24的方法，其中高能源是MIG型焊炬。
29. 權(quán)利要求24的方法，其中高能源是電子束型焊炬。 30，權(quán)利要求24的方法，其中合金結(jié)構(gòu)包含Ti-6Al-4V。
30. 權(quán)利要求24的方法，其中合金結(jié)構(gòu)包含Ti-6Al-4V。
31. 權(quán)利要求25的產(chǎn)品，其中合金結(jié)構(gòu)包含Ti-6Al-4V。
32. 權(quán)利要求24的方法，其中粉末狀合金化元素包含預(yù)合金化的 Al-V。
33. 權(quán)利要求24的方法，其中粉末狀合金化元素包含A1和V。
34. 權(quán)利要求32的方法，其中粉末狀合金化元素具有不超過約5mm 的顆粒尺寸。
35. 權(quán)利要求33的方法，其中粉末狀合金化元素具有不超過約5 mm 的顆粒尺寸。.
全文摘要
一種用于制造Ti合金結(jié)構(gòu)的方法，其使用具有作為高能源的焊炬的SFFF制造方法，其包括使用作為進(jìn)料的由Ti海綿體和合金粉末制成的進(jìn)料絲，或者在熔體中原位形成Ti合金。
文檔編號C22C14/00GK101223294SQ200680004975
公開日2008年7月16日 申請日期2006年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者J·C·威瑟斯, R·O·洛特法, R·S·斯托姆 申請人:材料及電化學(xué)研究公司