ПРОВОЛОКИ ИЗ МНОЖЕСТВА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
WIRES FROM MULTIPLE MATERIALS FOR ADDITIVE PRODUCTION OF TITANIUM ALLOYS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Сплав Ti-6Al-4V является одним из наиболее широко распространенных титановых сплавов. Сплав Ti-6A-4V представляет собой титановый сплав альфа-бета типа, содержащий 6% по массе Al и 4% по массе V. Сплав Ti-6Al-4V известен благодаря удачному сочетанию прочности, ударной вязкости и коррозионной стойкости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[002] В широком смысле настоящее изобретение относится к новым проволокам из множества материалов для аддитивного производства титановых сплавов, такого как технологии аддитивного производства с использованием источника излучения в виде электронного луча и/или плазменной дуги.
[003] Согласно одному варианту предложена проволока для применения в аддитивном производстве с использованием электронного луча или плазменной дуги. В этом варианте проволока может содержать наружную трубчатую часть и массу частиц, содержащихся в наружной трубчатой части. Наружная трубчатая часть содержит первый материал или второй материал, и масса частиц обычно содержит материал, отличный от первого материала и второго материала, относительно наружной трубчатой части. В одном варианте реализации изобретения второй материал по меньшей мере содержит титан. В одном варианте реализации изобретения второй материал содержит алюминийсодержащий титановый сплав. В одном варианте реализации изобретения второй материал представляет собой титановый сплав, выбранный из группы, состоящей из Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr, Ti-3Al-2,5V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo, Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo и Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элемент для легирования титаном, например один или более из элементов группы: алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома и железа, среди прочих. В одном варианте реализации изобретения первый материал выбран из группы, состоящей из алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома, железа и их комбинаций. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит алюминий или алюминиевый сплав. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элементарный алюминий или сплав 1xxx. В одном варианте реализации изобретения первый материал по существу не содержит титана. Комбинированные составы первого материала и второго материала обычно являются достаточными для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется в аддитивном производстве. Например, проволока может включать в себя достаточное количество первого материала и второго материала для получения заданного состава готового изделия из титанового сплава. В одном варианте реализации изобретения первый материал представляет собой алюминиевый сплав 1ххх, а второй материал представляет собой Ti-6Al-4V.
[004] Согласно другому варианту предложена проволока для применения в аддитивном производстве с использованием электронного луча или плазменной дуги, причем проволока включает в себя первую удлиненную наружную трубку и вторую удлиненную внутреннюю трубку, расположенную в первой удлиненной наружной трубке. Первая удлиненная наружная трубка обычно содержит первый материал или второй материал, а вторая удлиненная внутренняя трубка обычно содержит материал, отличный от первого материала и второго материала, относительно первой удлиненной наружной трубки. В одном варианте реализации изобретения второй материал по меньшей мере содержит титан. В одном варианте реализации изобретения второй материал содержит алюминийсодержащий титановый сплав. В одном варианте реализации изобретения второй материал представляет собой титановый сплав, выбранный из группы, состоящей из Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr, Ti-3Al-2,5V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo, Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo и Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элемент для легирования титаном, например один или более из элементов группы: алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома и железа, среди прочих. В одном варианте реализации изобретения первый материал выбран из группы, состоящей из алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома, железа и их комбинаций. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит алюминий или алюминиевый сплав. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элементарный алюминий или сплав 1xxx. В одном варианте реализации изобретения первый материал по существу не содержит титана. Комбинированные составы первого материала и второго материала обычно являются достаточными для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется в аддитивном производстве. Например, проволока может включать в себя достаточное количество первого материала и второго материала для получения заданного состава готового изделия из титанового сплава. В одном варианте реализации изобретения первый материал представляет собой алюминиевый сплав 1ххх, а второй материал представляет собой Ti-6Al-4V.
[005] Согласно другому варианту предложена проволока для применения в аддитивном производстве с использованием электронного луча или плазменной дуги, причем проволока содержит первое волокно и второе волокно, переплетенное с первым волокном. Первое волокно, как правило, содержит первый материал, а второе волокно, как правило, содержит второй материал, отличный от первого материала. В одном варианте реализации изобретения второй материал по меньшей мере содержит титан. В одном варианте реализации изобретения второй материал содержит алюминийсодержащий титановый сплав. В одном варианте реализации изобретения второй материал представляет собой титановый сплав, выбранный из группы, состоящей из Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr, Ti-3Al-2,5V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo, Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo и Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элемент для легирования титаном, например один или более из элементов группы: алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома и железа, среди прочих. В одном варианте реализации изобретения первый материал выбран из группы, состоящей из алюминия, олова, молибдена, ниобия, ванадия, циркония, хрома, железа и их комбинаций. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит алюминий или алюминиевый сплав. В одном варианте реализации изобретения первый материал содержит элементарный алюминий или сплав 1xxx. В одном варианте реализации изобретения первый материал по существу не содержит титана. Комбинированные составы первого материала и второго материала обычно являются достаточными для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется в аддитивном производстве. Например, проволока может включать в себя достаточное количество первого материала и второго материала для получения заданного состава готового изделия из титанового сплава. В одном варианте реализации изобретения первый материал представляет собой алюминиевый сплав 1ххх, а второй материал представляет собой Ti-6Al-4V.
[006] Также раскрыты способы использования описанных выше проволок. В одном варианте реализации изобретения способ включает использование источника излучения для нагрева какой-либо из вышеописанных проволок выше точки ликвидуса формируемого изделия из титанового сплава, в результате создающих ванну расплава, и охлаждение ванны расплава со скоростью охлаждения по меньшей мере 1000°C в секунду. Эти этапы могут повторяться по необходимости (например, в ходе аддитивного производства) до тех пор, пока не будет получено готовое изделие из титанового сплава.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[007] Фиг. 1а представляет схематический вид одного варианта реализации изобретения с использованием электронно-лучевого аддитивного производства для получения детали из титанового сплава.
[008] Фиг. 1b иллюстрирует один вариант реализации проволоки, применимой в электронно-лучевом варианте по фиг. 1а, в котором проволока имеет удлиненную наружную трубчатую часть и массу частиц, содержащихся в удлиненной наружной трубчатой части.
[009] Фиг. 1с-1f иллюстрируют варианты реализации проволок, применимых в электронно-лучевом варианте по фиг. 1а, причем проволоки имеют удлиненную наружную трубчатую часть и по меньшей мере одну вторую удлиненную внутреннюю трубчатую часть. Фиг. 1с и 1е представляют схематические виды сбоку проволок, а фиг. 1d и 1f - схематические виды сверху проволок по фиг. 1c и 1e, соответственно.
[0010] Фиг. 1g иллюстрирует один вариант реализации проволоки, применимой в электронно-лучевом варианте реализации изобретения по фиг. 1а, причем проволока имеет по меньшей мере первое и второе переплетенные волокна, при этом первое и второе волокна имеют разные составы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Со ссылкой на фиг. 1a-1b проиллюстрирован один вариант реализации проволоки из множества материалов. В иллюстрируемом варианте реализации изобретения проволока (25) из множества материалов представляет собой проволоку с порошковым сердечником (200), имеющую удлиненную наружную трубчатую часть и массу частиц, содержащихся в удлиненной наружной трубчатой части. Удлиненная наружная трубчатая часть, как правило, содержит первый материал или второй материал, и масса частиц обычно содержит материал, отличный от первого материала или второго материала, при этом второй материал отличается от первого материала. Например, если удлиненная наружная трубчатая часть содержит первый материал, масса частиц содержит второй материал. С другой стороны, если удлиненная наружная трубчатая часть содержит второй материал, масса частиц содержит первый материал. В любом случае, составы первого материала и второго материала обычно являются достаточными для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется в аддитивном производстве. Например, первый материал может содержать алюминий, а второй материал может содержать титан, такой как алюминийсодержащий титановый сплав. Во время аддитивного производства проволоку (25) подают из участка (55) подачи проволоки подающего пистолета (50) проволоки к наращиваемой подложке. Электронный луч (75) или другой подходящий источник излучения нагревает проволоку (25) выше точки ликвидуса детали из титанового сплава, образующую ванну расплава, с последующей быстрой кристаллизацией (например, ≥ 1000°С в секунду) ванны расплава для формирования осажденного материала (100) титанового сплава. Эти этапы могут повторяться при необходимости, до тех пор, пока не будет получено готовое изделие из титанового сплава. Во время такого процесса аддитивного производства высокие температуры могут привести к улетучиванию некоторой части алюминия из-за высокого парциального давления алюминия в ванне расплава. Однако дополнительный алюминий, подаваемый посредством удлиненной наружной трубчатой части по меньшей мере частично добавляет/заменяет испаряемый алюминий, тем самым способствуя получению заданного состава осажденного материала (100) титанового сплава.
[0012] Как указано выше, проволока содержит достаточное количество второго материала для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется при аддитивном производстве, и указанный второй материал обычно содержит титан. В одном из вариантов второй материал представляет собой титановый сплав. В одном из вариантов реализации изобретения второй материал представляет собой алюминийсодержащий титановый сплав. В одном варианте реализации изобретения второй материал выбирают из группы, состоящей из Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-7Al-4Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr, Ti-3Al-2,5V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo, Ti-2,25Al-11Sn-5Zr-1Mo и Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo. В одном варианте реализации изобретения второй материал представляет собой Ti-6Al-4V.
[0013] Как указано выше, проволока содержит достаточное количество первого материала для получения изделия из титанового сплава, когда проволока используется при аддитивном производстве, и указанный второй материал обычно содержит алюминий. В одном варианте реализации изобретения первый материал по существу не содержит титана. В одном варианте реализации изобретения первый материал представляет собой алюминиевый сплав 1ххх, как определено Ассоциацией алюминиевой промышленности, то есть материал, содержащий по меньшей мере 99,0% по массе Al. В другом варианте реализации изобретения первый материал содержит по меньшей мере один вторичный элемент для способствования получению заданного состава титанового сплава после завершения аддитивного производства. В одном варианте реализации изобретения по меньшей мере один вторичный элемент выбирают из группы ванадия (V), олова (Sn), молибдена (Mo), циркония (Zr), ниобия (Nb), хрома (Cr), железа (Fe) и их комбинаций, причем первый материал содержит достаточное количество алюминия и по меньшей мере одного вторичного элемента для способствования получению заданного состава титанового сплава после завершения аддитивного производства.
[0014] Используемый в данном документе термин «аддитивное производство» означает «процесс соединения материалов с целью создания объектов по данным трехмерной модели, обычно послойно, в отличие от методов субтрактивного производства», как определено в документе ASTM F2792-12a, под названием «Стандартные термины для технологий аддитивного производства», поскольку это относится к использованию проволок. В одном варианте реализации изобретения в процессах аддитивного производства используют электронно-лучевую плавку (Electron Beam Melting, EBM). В одном варианте реализации изобретения, в способе аддитивного производства используют систему аддитивного производства с помощью прямого лазерного спекания металлов (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) EOSINT M 280 или аналогичную систему, поставляемую EOS GmbH (Robert-Stirling-Ring 1, 82152 Крайллинг/Мюнхен, Германия).
[0015] Проволока (25), используемая в процессе аддитивного производства, может включать в себя соответствующий объем первого материала и второго материала для получения заданного состава титанового сплава после завершения аддитивного производства. В этой связи толщина удлиненной наружной трубки и/или объем частиц могут быть специально подобраны.
[0016] В другом варианте реализации изобретения и, как показано на фиг. 1с-1d, проволока (25а) представляет собой проволоку с множеством трубок, имеющую первую удлиненную наружную трубчатую часть (600) и по меньшей мере вторую удлиненную внутреннюю трубчатую часть (610). Первая часть (600) содержит первый материал или второй материал, а вторая часть (610) содержит другую часть первого материала или второго материала. Проволока (25а) может содержать полый сердечник (620), как показано, или может содержать сплошной сердечник, или может содержать массу частиц внутри сердечника, как описано выше относительно фиг. 1a-1b. В любом случае совокупный состав первого материала, второго материала и любых материалов сердечника таков, что после осаждения получают заданный состав для осажденного материала (100) титанового сплава. Первым материалом и вторыми материалами может быть любой из первого и второго материалов, описанных выше со ссылкой на фиг. 1a-1b. Кроме того, как показано на фиг. 1e-1f, проволока (25b) может содержать какое-либо количество из множества удлиненных трубок (например, трубки 600-610 и 630-650), каждую подходящего состава и толщины, чтобы получить подходящий конечный состав изделия из титанового сплава. Как описано выше со ссылкой на фиг. 1с-1d, сердечник (620) может представлять собой полый сердечник (620), как показано, или может содержать сплошной сердечник, или может содержать массу частиц внутри сердечника, как описано выше относительно фиг. 1a-1b.
[0017] В другом варианте реализации изобретения и, как показано на фиг. 1g, проволока (25c) представляет собой многоволоконную проволоку, имеющую первое волокно (700) и по меньшей мере второе волокно (710), переплетенное с первой проволокой (100). Первое волокно (700) содержит первый материал, а вторая часть (710) содержит второй материал. Совокупные составы первого материала и второго материала таковы, что после осаждения получают заданный состав для осажденного материала (100) из титанового сплава.
[0018] В одном варианте реализации изобретения, не проиллюстрированном, в электронно-лучевом (EB) или плазменно-дуговом устройстве для аддитивного производства может использоваться множество разных проволок, необязательно, с соответствующим множеством разных источников излучения, причем каждую из проволок и источников при необходимости подают и активируют для получения заданного состава осажденного материала (100) из титанового сплава.
[0019] Хотя различные варианты реализации новой технологии, описанные в данном документе, были подробно описаны, очевидно, что изменения и адаптации этих вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники. Однако следует четко понимать, что эти изменения и адаптации находятся в пределах сущности и объема раскрытой в данном документе технологии.