本發明屬于增材制造，具體涉及一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲及其制備方法和應用。

背景技術：

1、鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕性好、高溫性能優異等一系列優點，在航空航天、船舶制造、化工等領域得到廣泛應用。增材制造技術為鈦合金零部件的近凈成形制造提供了新途徑，鈦合金藥芯焊絲作為增材制造的重要原材料，其性能對增材制造零部件的質量和性能起著關鍵作用。目前，增材制造用鈦合金實芯焊絲在制備過程中存在以下問題：合金成分單一且強化相難以摻入；熔池流動性差易導致氣孔、裂紋等缺陷；增材制造過程中鈦合金焊絲熔化不均，打印參數控制嚴格且影響成形質量；常規焊絲制備需多道次軋制和退火，成本高且效率低；現有焊絲成分與組織難以滿足電弧增材制造對層間結合強度及成形精度的要求。

2、上述問題一定程度上限制了鈦合金藥芯焊絲在增材制造領域的進一步應用。為了滿足高端制造業對鈦合金綜合性能不斷提高的需求，開發一種具有增強相、低氣孔率和增材制造過程穩定的高強鈦合金焊絲具有重要意義。

3、專利公開號為cn118976796a的發明專利公開了一種制備ti6al4v合金的粉芯絲材，該方法利用cp-ti帶包覆金屬粉末和粘結劑，之后軋制以逐次遞減得到金屬粉芯絲材。結果表明利用直徑為2mm的ti6al4v合金絲材打印出的塊體具有良好的強度和塑性；但添加粘結劑的行為過于冗雜，且其真空密煉溫度過低，不足以達到去除應力的效果，且直徑2mm的鈦合金絲材打印對電弧熔絲設備要求極高，無法滿足市面常規設備要求。

4、專利公開號為cn114043121a的發明專利公開了一種鈦鋁粉芯焊絲及其制備方法，通過u型金屬外皮包覆粉末進行合口并采用拉絲機進行處理，制備出可用于打印的鈦鋁合金絲用于增材制造；但該制備過程中的真空熱處理溫度僅為80℃~90℃，達不到去應力的效果。此外，專利公開號為cn120133794a的發明專利公開了一種高強鈦合金藥芯焊絲及其制備方法，通過優化合金成分和藥芯配方，以及改進制備工藝，獲得具有良好綜合性能的藥芯焊絲。結果表明該鈦合金藥芯焊絲在應用過程中可改善焊接熔池流動性，提升焊接電弧穩定性，控制焊縫組織。但這兩個專利的藥芯焊絲利用增材制造技術制備的鈦合金強度達不到高強絲材的需求。

5、專利公開號為cn112404798a的發明專利公開了一種制備tc4鈦合金藥芯焊絲的方法。該方法簡單易實現，利用ta1鈦帶包卷球磨后的粉末（釩粉：16%、鋁粉：25%、鉬粉：15%、鈷粉：0.3%、鎳粉：4%、銅粉：1.0%、硅粉：0.3%、其余為鈦粉）；填入藥芯粉后軋制減徑，退火后再進行冷拔減徑拉絲模，得到直徑為1.2mm的藥芯焊絲。結果表明該藥芯焊絲應用在焊接領域提高了熔敷效率，焊接過程飛濺小，焊縫成形好，具有較好的應用前景。但利用這種方法制備的鈦合金藥芯焊絲成分均勻性較差且藥芯焊絲成品率較低。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲。該鈦合金藥芯焊絲通過在藥芯粉末中摻入硼化鈦增強相，并利用edem軟件計算粉末流動性及粗細粉末配比，使得藥芯粉末具有均質化和低雜質含量的特征，在作為增材制造原料使用時，有效避免元素燒損、偏聚，實現對鈦合金組織和性能的調控，有利于獲得成分及組織均勻的鈦合金產品，解決了現有增材制造鈦合金成分均勻性和雜質含量高導致無法滿足高端制造業嚴格要求的難題。

2、為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲，其特征在于，該鈦合金藥芯焊絲中藥芯粉末由以下質量百分比的成分組成：鋁粉4.5%~5.0%，釩粉2.8%~3.2%，鉬粉5.3%~5.8%、鐵粉1.5%~1.7%，鉻粉1.4%~1.6%，硼化鈦粉1%~3%，余量為鈦粉及不可避免的雜質。

3、上述的一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲，其特征在于，所述藥芯粉末中粗粉與細粉的質量比為4~5:1，其中，粗粉為鈦粉，粒徑為15μm~53μm，其余粉末為細粉，粒徑為53μm~150μm，且藥芯粉末的平均粒徑為15μm~150μm。

4、上述的一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲，其特征在于，所述不可避免的雜質中各元素的質量百分數為：c≤0.10%，n≤0.03%，h≤0.015%，o≤0.10%。

5、上述的一種增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲，其特征在于，所述鈦合金藥芯焊絲的外皮為ta1鈦帶，寬度為8mm~10mm，厚度為0.3mm~0.5mm。

6、同時，本發明還公開了一種如上述的增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

7、步驟一、物料填充：利用edem軟件預設藥芯粉末的目標成分組成，創建粉末模型的粗粉即鈦粉的粒徑為15μm~53μm，其余粉末即細粉的粒徑為53μm~150μm，然后根據藥芯粉末進入外皮的速度計算藥芯粉末流動性，選擇赫茲-明德林接觸模型，設計物理參數泊松比為0.28~0.3，靜摩擦系數為0.35~0.5，滾動摩擦系數為0.01，將加速度設定為1.67m/s2，進而確保迭代校準的誤差小于5%，再根據仿真場景輸出結果，確定藥芯粉末的平均粒徑以及粗粉、細粉的質量比，并制備得到藥芯粉末；

8、將鈦合金藥芯焊絲的外皮在軋制拉絲機上軋制成u形槽，并在u形槽中填充藥芯粉末得到初坯藥芯焊絲，將初坯藥芯焊絲進行軋制拉拔得到原始焊絲；

9、步驟二、輥模拉拔及退火：將步驟一中的原始焊絲進行輥模拉拔逐級減徑，變形量為50%~60%，然后進行表面清潔和真空退火消除加工硬化，得到中間焊絲；

10、步驟三、輥模拉拔：將步驟二中得到的中間焊絲進行輥模連拔逐級減徑，變形量為15%~20%，經表面拋光后得到高強鈦合金藥芯焊絲。

11、本發明采用外皮包覆填充藥芯粉末后經輥模拉拔、真空退火等步驟得到藥芯焊絲，通過利用edem軟件計算藥芯粉末并確定粗粉、細粉質量比及藥芯粉末平均粒徑，使得細粉顆粒充分填充在粗粉顆粒間的空隙中，形成低孔隙率的密實結構。這種結構減少了藥芯粉末體系內的自由空間，限制了顆粒的相對位移，抑制粒度偏析，平衡顆粒間作用力，實現緊密堆積，降低孔隙率與比表面積，從而實現高均質化；同時，均勻的藥芯粉末成分分布使得電弧加熱時熱傳導一致，避免局部溫度過高導致某些組分（如易氧化元素）過量燒損或發生異常反應，使得焊接冶金反應平穩可控，雜質生成量減少；此外，均勻的藥芯粉末分布有利于熔池中雜質的高效脫除，從而實現雜質含量較低。綜上，本發明通過物料填充設計，有效避免了鈦合金藥芯焊絲在增材制造過程中元素易燒損和偏聚等冶金問題，滿足了鈦合金焊絲中易燒損及難熔金屬組元的添加要求，使其適用于增材制造要求。

12、本發明通過嚴格控制制備過程的各步驟，減少了制備工藝以及原料的雜質元素，保證焊絲在輥模拉拔減徑過程中的高純凈度，獲得低雜質含量的鈦合金藥芯焊絲，為增材制造過程提供光滑潔凈的絲材原料，保證了增材制造過程中的元素均勻分布，并消除不熔現象，從而保證了其下游材料鈦合金產品的質量，提高成品率，極大地降低了生產成本。此外，本發明的制備方法易于實現對鈦合金藥芯焊絲的成分調控，可以推廣到其他金屬材料領域的生產中。

13、上述的制備方法，其特征在于，步驟一中確定的藥芯粉末的平均粒徑為15μm~150μm，所述藥芯粉末的制備方法為：將鋁粉、釩粉、鉬粉、鐵粉、鉻粉、鈦粉和硼化鈦粉末置于真空干燥箱中，在100℃~140℃、真空度10-3pa~10-2pa環境下干燥1.5h~2.5h，然后利用行星球磨機對干燥后的粉末進行真空球磨混合，球磨介質為鋯球，球料比15:1，轉速150r/min~250r/min，球磨時間1.5h~2.5h，再使用篩網篩取后于氬氣環境保存；所述藥芯粉末在u形槽中的填充率為30%~50%。本發明通過嚴格控制粉末原料的粒徑比，保證了藥芯焊絲在增材制造過程中反應程度適中，避免反應太劇烈導致反應濺射嚴重污染倉體，同時避免反應太溫和導致合金均勻效果差，提高了鈦合金產品的質量和成品率，并降低鈦合金產品中雜質含量。

14、上述的制備方法，其特征在于，步驟二中所述真空退火的真空度不超過5×10-3pa，溫度550℃~650℃，保溫時間1.0h~2.0h。該真空退火的真空度已能有效排除絕大部分空氣（尤其是氧氣），為退火過程提供了一個低氧分壓的惰性環境，從根本上防止了焊絲表面及藥芯在高溫下發生新的氧化，是保證“低雜質含量”的先決條件。此外，通常在真空退火前后均對焊絲表面進行清潔去除附著物料、進行烘干去除焊絲內外存附的水汽等雜質，避免了后續應用于電弧增材制造過程中反應濺射嚴重現象。

15、上述的制備方法，其特征在于，步驟一中所述初坯藥芯焊絲的直徑為3.3mm~3.4mm，所述原始焊絲的直徑為3.0mm~3.1mm；步驟二中所述中間焊絲的直徑為2.0mm~2.1mm；步驟三中所述高強鈦合金藥芯焊絲的直徑為1.2mm~1.6mm。本發明制備的高強鈦合金藥芯焊絲直徑滿足市場中電弧熔絲增材制造設備用絲要求，可推廣性強。

16、此外，本發明還公開了一種如上述的增材制造用高強鈦合金藥芯焊絲的應用，其特征在于，將高強鈦合金藥芯焊絲表面處理后整體裝入電弧熔絲增材制造設備中，調整工作參數并充入惰性氣體保護進行增材制造，得到鈦合金產品。

17、上述的應用，其特征在于，所述增材制造的工藝參數為：峰值電流140a~180a，基值電流90a~100a，弧壓16v~26v，送絲速度0.5m/min~1.2m/min，層間間隔時間60s~70s，抬升量1.8mm~2.0mm，層間溫度不超過150℃。該工藝參數實現了更穩定的熔滴過渡和精準的線能量控制，避免了因電流沖擊過大造成熔滴爆炸或大顆粒飛濺，在保證熔深的同時，最小化對已凝固層的熱沖擊，利于控制層間溫度。

18、本發明與現有技術相比具有以下優點：

19、1、本發明的鈦合金藥芯焊絲通過在藥芯粉末中摻入硼化鈦增強相，并利用edem軟件計算流動性及粗細粉末配比，使得藥芯粉末具有高均質化和低雜質含量的特征，從而在將鈦合金藥芯焊絲作為原料進行增材制造時，有效避免低熔點元素燒損、低密度高熔點元素偏聚形成難熔相，改善了鈦合金熔池流動性，提升了增材制造電弧穩定性，實現對鈦合金組織和性能的調控，有利于獲得成分及組織均勻的鈦合金產品，最大程度減少偏析，保證鈦合金產品的服役性能。

20、2、本發明的鈦合金藥芯焊絲通過edem軟件計算調控藥芯粉末成分及粒徑，不僅獲得混合均勻的藥芯粉末、保證后續藥芯焊絲的順利制備，還提高了增材制造熔融反應產物的流動性，使得粉末熔體充分接觸，加速氣體排出，避免熔融反應產物被污染，提高了增材制造的收得率，提升了鈦合金產品品質，避免材料浪費，降低生產成本。

21、3、本發明的鈦合金藥芯焊絲突破了傳統藥芯焊絲設計思路，獲得具有優異綜合性能的藥芯焊絲，進一步結合調控增材制造工藝參數，改善熔池流動性，提升增材制造的電弧穩定性，實現高質量復雜鈦合金產品的增材制造，并提高了鈦合金產品的強度和韌性，能夠滿足高端制造業對鈦合金材料性能的嚴格要求，適用于車輛、船舶和航空航天等工業領域復雜結構件快速成型與修復。

22、4、本發明的鈦合金藥芯焊絲的設計自由度高，且制備方法簡單有效，易于實現個性化定制，適合大規模大批量工業化生產，適宜推廣到高熵合金包括難熔金屬材料等領域的制備。

23、下面通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。