本發明涉及3D打印以及材料制備技術領域，具體而言，涉及一種用于3D打印的TiAl合金絲及其制備方法。

背景技術：

3D增才制造是當前近凈、一次成型的先進技術，廣泛用于航空航天等結構件的制備中，特別適用于制備以Ti合金、TiAl合金等為原料的產品。而TiAl合金是一種高溫高強結構材料，具有高的比強度和比模量，以及優異的高溫抗氧化和抗蠕變能力，但是TiAl合金制備加工困難，由此，限制了TiAl合金的發展和工程化應用。

具體而言，3D增才制造所需的材料形態一般分為兩種：一種是球形粉末，另外一種是連續纖維絲。現有技術中，制備TiAl合金球形粉末時一般采用霧化法制備，這已經在TiAl合金3D增才制造領域中得到一定的研究和發展，但是TiAl合金球形粉末的制備仍然存在制備成本高、雜質含量高的問題。而在制備TiAl連續纖維絲的過程中，又因為TiAl合金變形抗力大，脆性大，而導致難以利用傳統的抽絲工藝來制備TiAl合金絲材。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法，此制備方法是一種新的生產方法，能夠制得TiAl合金絲，實現TiAl合金絲制備的工業化生產，步驟簡單，操作方便。

本發明的另一目的在于提供一種用于3D打印的TiAl合金絲，該合金絲表面形貌光潔，尺寸滿足工業要求，能夠應用于3D打印技術領域。

本發明解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的：

一種用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法，包括以下步驟：

根據目標TiAl合金絲成分配比，將原料混合熔煉，得到TiAl合金，其中，原料包括海綿鈦、鋁、Al-Nb中間合金、Al-V中間合金、Al-W中間合金和Al-Mo中間合金；

將TiAl合金切割后，在保護氣體環境下，利用水冷銅坩堝加熱TiAl合金，并利用氧化鋯棒不斷推進TiAl合金，使TiAl合金依次熔化，保持熔化的TiAl合金熔體溫度高于TiAl合金的熔點50～200℃，保溫3～5min；

保持輥輪轉速為2600～3200r/min，按照TiAl合金熔體3～10mm/min的推進速度，將TiAl合金熔體噴射在輥輪上，得到目標TiAl合金絲。

優選地，在本發明較佳實施例中，輥輪為銅合金輥輪或鉬合金輥輪。

優選地，在本發明較佳實施例中，將TiAl合金切割時，是利用電火花線將TiAl合金切割成長度為8～12cm、直徑為8～9mm的TiAl合金柱；

將TiAl合金切割后，利用水冷銅坩堝加熱TiAl合金之前，還包括對TiAl合金柱進行砂紙打磨、超聲波清洗以及干燥。

優選地，在本發明較佳實施例中，保護氣體選自氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣中的一種或多種，優選氬氣。

優選地，在本發明較佳實施例中，保護氣體的純度在99.5％以上，保護氣體的環境壓力為0.5～1atm。

優選地，在本發明較佳實施例中，保護氣體環境是通過以下方式得到：對熔體設備的腔體進行抽真空，然后充入保護氣體，重復操作3～5次。

優選地，在本發明較佳實施例中，原料的純度均在99.9％以上。

優選地，在本發明較佳實施例中，將原料混合熔煉時，熔煉條件為：在2000～3000℃下熔煉2～3min。

優選地，在本發明較佳實施例中，將原料混合熔煉時，具體為：將原料放置于容器中，在熔煉條件下正面、反面交替熔煉5～6次。

另外，一種用于3D打印的TiAl合金絲，是通過上述的用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法制得。

相對于現有技術，本發明包括以下有益效果：本發明解決了TiAl合金3D打印絲料制備困難的問題。在制備過程中，將經水冷銅坩堝加熱熔融的TiAl合金熔體快速噴射到輥輪上，再通過高速轉動的輥輪的抽拉，制得TiAl合金絲。利用水冷銅坩堝進行加熱的工藝保證了合金熔體的純凈，避免了其他氧化物坩堝帶來的雜質，同時也防止了TiAl合金熔體與氧化物坩堝發生反應，甚至可能產生爆裂的現象。將TiAl合金熔體快速噴射到輥輪上，增大了合金熔體的過冷度、提高了其冷卻速度，再輔以一定的推進速度，使得Nb、V、W等合金化元素最大化的固溶到Ti₃Al相中，形成過飽和TiAl合金，并且TiAl合金熔體過冷度的增加也使合金熔體直接凝固形成Ti₃Al相，形成細小的Ti₃Al相枝晶，如此，也細化了組織。

制得的TiAl合金絲粗細均勻、表面光潔，其不僅可以作為焊絲焊接TiAl合金，還可以作為3D打印的原料進行TiAl合金的增才制造，進一步制備TiAl合金的大尺寸構件，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

為了更清楚的說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例一提供的Ti-44Al-8.5Nb-4V的TiAl合金絲的掃描電鏡圖；

圖2是本發明實施例二提供的Ti-44Al-8Nb-0.2W的TiAl合金絲的掃描電鏡圖；

圖3是本發明實施例三提供的Ti-44Al-8Nb-0.2Mo的TiAl合金絲的透射電鏡圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。

下面對本發明實施例的用于3D打印的TiAl合金絲及其制備方法進行具體說明。

用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法包括步驟S1：根據目標TiAl合金絲成分配比，將原料混合熔煉，得到TiAl合金，其中，原料包括海綿鈦、鋁、Al-Nb中間合金(鋁-鈮中間合金)、Al-V中間合金(鋁-釩中間合金)、Al-W中間合金(鋁-鎢中間合金)和Al-Mo中間合金(鋁-鉬中間合金)。

其中，海綿鈦優選為軍工級的海綿鈦，而原料的純度均在99.9％以上，優選在99.99％以上。在配制原料時，可以根據要制備的不同的TiAl合金絲，如Ti-44Al-8.5Nb-4V、Ti-44Al-8Nb-0.2W等，按照原子百分比來配制原料。

將原料混合熔煉時，熔煉條件為：在2000～3000℃下熔煉2～3min。熔煉優選利用VAR真空自耗熔煉爐進行，熔煉時，具體為：將原料放置于容器中，在熔煉條件下正面、反面交替熔煉5～6次。也就是說，可以將原料放在坩堝內，先正面熔煉(在2000～3000℃下熔煉2～3min)，再反面熔煉(在2000～3000℃下熔煉2～3min)，每一面的熔煉算作1次，正、反面交替熔煉5～6次。如此，能夠使原料混合更加均勻，在熔煉過程中也保證熔點有差異的各原料均能得到充分的熔煉。

用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法還包括步驟S2：將TiAl合金切割后，在保護氣體環境下，利用水冷銅坩堝加熱TiAl合金，并利用氧化鋯棒不斷推進TiAl合金，使TiAl合金依次熔化，保持熔化的TiAl合金熔體溫度高于TiAl合金的熔點50～200℃，保溫3～5min。

其中，水冷銅坩堝優選直徑為10mm，在利用水冷銅坩堝加熱時，可以采用感應加熱的方式。“保持熔化的TiAl合金熔體溫度高于TiAl合金的熔點50～200℃”也就是說，要保持TiAl合金熔體的溫度比TiAl合金的熔點溫度高50～200℃。如此，能夠保證過熱，從而使熔體的流動性較好。

將TiAl合金切割時，是利用電火花線將TiAl合金切割成長度為8～12cm、直徑為8～9mm的TiAl合金柱，然后對TiAl合金柱進行砂紙打磨、超聲波清洗以及干燥，保證無雜質附著。

保護氣體選自氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣中的一種或多種，優選氬氣。保護氣體的純度在99.5％以上，優選在99.9％以上，保護氣體的環境壓力為0.5～1atm。在此種環境條件下，制得的TiAl合金絲的產品質量較高。

而保護氣體環境是通過以下方式得到：對熔體抽拉設備的腔體進行抽真空，然后充入保護氣體，重復操作3～5次。重復操作3～5次是指以抽真空-充保護氣體為一個重復單位，重復3～5次，如此，能夠較徹底的去除設備腔體內的氧氣，避免氧氣在后續過程中對TiAl合金產生氧化。抽真空-充保護氣體的操作重復3～5次后，需保證得到的保護氣體環境的壓力為0.5～1atm。

用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法還包括步驟S3：保持輥輪轉速為2600～3200r/min，按照TiAl合金熔體3～10mm/min的推進速度，將TiAl合金熔體噴射在輥輪上，得到目標TiAl合金絲。

其中，輥輪為銅合金輥輪或鉬合金輥輪。這兩種輥輪的熱穿透率高，傳熱性好。

本發明還提供了一種用于3D打印的TiAl合金絲，是通過上述的用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法制得。

以下結合實施例對本發明的特征和性能作進一步的詳細描述：

實施例一

本實施例提供的用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1：以軍工級海綿鈦、高純Al、Al-Nb中間合金和Al-V中間合金為原料，所有原料的純度均為99.99％，以原子百分比計算配制Ti-44Al-8.5Nb-4V的TiAl合金，利用VAR真空自耗熔煉爐，在2200℃下，正面、反面交替熔煉5次，每次熔煉3min；

然后利用電火花線將TiAl合金切割成長為10cm，直徑為9mm的TiAl合金柱，對TiAl合金柱依次進行砂紙打磨、超聲波清洗和干燥；

步驟S2：對熔體抽拉設備腔體進行5次抽真空-充氬氣的循環操作，氬氣的純度為99.5％，充入氬氣后，環境壓力保持為1atm；

采用直徑為10mm的水冷銅坩堝，加熱方式為感應加熱，利用氧化鋯棒不斷推進TiAl合金柱，使合金柱依次熔化，得到TiAl合金熔體，保持TiAl合金熔體的溫度比TiAl合金的熔點溫度高200℃，在此溫度下保溫3min；

步驟S3：保持銅合金輥輪的轉速為3200r/min，配合TiAl合金熔體的推進速度為10mm/min，使TiAl合金熔體均勻的噴射在銅合金輥輪上，利用高速旋轉的銅合金輥輪將合金熔體抽拉出，得到成分為Ti-44Al-8.5Nb-4V的TiAl合金絲。

本實施例還提供了成分為Ti-44Al-8.5Nb-4V的TiAl合金絲，參見圖1，其是通過上述方法制得。

實施例二

本實施例提供的用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1：以軍工級海綿鈦、高純Al、Al-Nb中間合金和Al-W中間合金為原料，所有原料的純度均為99.995％，以原子百分比計算配制Ti-44Al-8Nb-0.2W的TiAl合金，利用VAR真空自耗熔煉爐，在3000℃下，正面、反面交替熔煉5次，每次熔煉2min；

然后利用電火花線將TiAl合金切割成長為10cm，直徑為9mm的TiAl合金柱，對TiAl合金柱依次進行砂紙打磨、超聲波清洗和干燥；

步驟S2：對熔體抽拉設備腔體進行5次抽真空-充氬氣的循環操作，氬氣的純度為99.9％，充入氬氣后，環境壓力保持為0.8atm；

采用直徑為10mm的水冷銅坩堝，加熱方式為感應加熱，利用氧化鋯棒不斷推進TiAl合金柱，使合金柱依次熔化，得到TiAl合金熔體，保持TiAl合金熔體的溫度比TiAl合金的熔點溫度高170℃，在此溫度下保溫4min；

步驟S3：保持銅合金輥輪轉速為3000r/min，配合TiAl合金熔體的推進速度為5mm/min，使TiAl合金熔體均勻的噴射在銅合金輥輪上，利用高速旋轉的銅合金輥輪將合金熔體抽拉出，得到成分為Ti-44Al-8.5Nb-0.2W的TiAl合金絲。

本實施例還提供了成分為Ti-44Al-8Nb-0.2W的TiAl合金絲，參見圖2，其是通過上述方法制得。

實施例三

本實施例提供的用于3D打印的TiAl合金絲的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1：以軍工級海綿鈦、高純Al、Al-Nb中間合金和Al-Mo中間合金為原料，所有原料的純度均為99.99％，以原子百分比計算配制Ti-44Al-8Nb-0.2Mo的TiAl合金，利用VAR真空自耗熔煉爐，在2500℃下，正面、反面交替熔煉5次，每次熔煉3min；

然后利用電火花線將TiAl合金切割成長為10cm，直徑為9mm的TiAl合金柱，對TiAl合金柱依次進行砂紙打磨、超聲波清洗和干燥；

步驟S2：對熔體抽拉設備腔體進行5次抽真空-充氬氣的循環操作，氬氣的純度為99.8％，充入氬氣后，環境壓力保持為0.5atm；

采用直徑為10mm的水冷銅坩堝，加熱方式為感應加熱，利用氧化鋯棒不斷推進TiAl合金柱，使合金柱依次熔化，得到TiAl合金熔體，保持TiAl合金熔體的溫度比TiAl合金的熔點溫度高50℃，在此溫度下保溫5min；

步驟S3：保持銅合金輥輪轉速為2600r/min，配合TiAl合金熔體的推進速度為3mm/min，使TiAl合金熔體均勻的噴射在銅合金輥輪上，利用高速旋轉的銅合金輥輪將合金熔體抽拉出，得到成分為Ti-44Al-8.5Nb-0.2Mo的TiAl合金絲。

本實施例還提供了成分為Ti-44Al-8Nb-0.2Mo的TiAl合金絲，參見圖3，其是通過上述方法制得。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。