CN100406583C - 一种钛合金准β热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种获得高塑性片状组织的钛合金准β热处理工艺，属材料科学技术领域。该工艺解决了片状组织塑性低的技术关键。经过在α+β区锻造的锻件在β相变点(Tβ)以下20℃～40℃，即Tβ-(20～40)℃预热，然后随炉升温至Tβ-10℃～Tβ+40℃短时加热后迅速水冷或空冷，并按所需性能要求在α+β区进行必要的退火、双重退火等补充热处理。该工艺适用于近α型和α-β型钛合金，获得的片状组织初生α相含量不大于15%。其塑性与网篮组织一样，断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力、蠕变抗力等则显著高于双态组织，可以制造鈦合金结构件等半成品及零件。

Description

一种钛合金准β热处理工艺

本发明涉及一种获得高塑性片状组织的钛合金准β热处理工艺，属材料科学技术领域。

近α型和α-β型钛合金因热变形(热处理)工艺不同可以获得四种类型的显微组织，其中实际应用最多的锻件是双态组织，即初生α+β转变组织。

随着结构设计思想的进步，一种先进的损伤容限设计已经获得实际应用，它对材料的力学性能提出了更高的要求，主要是需要更高的断裂韧性和更低的裂纹扩展速率。期望满足这一要求的显微组织只有网篮组织和片状组织。经过β热处理的片状组织比经过锻造的网篮组织可以获得更加均匀的组织，而且片状组织具有更高的K_IC值和更低的da/dN，因此片状组织更为设计师所青睐。

片状组织由等轴的β晶粒所组成，晶界为连续平直的α相，晶内则呈编织的集束片状α相，使裂纹扩展形成曲折的路径，从而获得很高的K_IC值和很低的da/dN。但连续平直的晶界α相的存在又导致材料塑性的显著降低，影响到疲劳性能和构件的可靠性，所以解决片状组织的塑性问题一直成为钛合金β热处理的一大难题。按照传统观念，经过β热处理的片状组织中是不含有初生α相的，例如Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si钛合金采用在Tβ+(20～30)℃的β热处理。这一观念使β热处理的加热温度都高于Tβ+20℃。另外，由于钛合金的热导率比较低，是钢的1/3。所以规定的加热时间比较长。即使在β区加热，加热系数η，即加热时间t(min)与锻件最大截面厚度δ_max(mm)的比值，一般也在0.7以上。

研究表明，对β晶粒长大动力学有决定性影响的是加热温度。加热温度越高，晶粒长大就越剧烈。除加热温度以外，加热时间长也能促使β晶粒长大。以往的β热处理正是由于在β区加热温度高和保温时间长才导致产生粗大β晶粒组织，并在晶界形成连续平直的α相网络，这就是通常的片状组织塑性低的根本原因。

众所周知，β晶粒是在初生α相不断溶解的过程中逐渐形成的，可以设想，如果能设计出一种工艺，可以获得既没有初生α相，也没有β晶界α相，只有编织的集束片状α相的片状组织，这就是一种理想的片状组织。也就是要控制一种状态，初生α相刚好溶解完，β晶粒又尚未形成的瞬间。这种理想状态在某一个小的区域可能存在，但要使整个锻件都具有这种状态是不可能的。然而作为工程应用，可以找到一个过渡区，即将初生α相限制在一定的比例内，如15％，β晶界α相又是部分产生的区域，这就是β相变点附近的区域，也就是在T_β-10℃到T_β+10℃这一未有人研究过的过渡区。在这一区域加热时，可能留有少量的初生α相，β晶粒尚未形成或是刚刚形成的细小的β晶粒。在冷却过程中，有部分的β晶界析出α相，但这种晶界α相网络是比较小的，绝大部分为形成编织的集束片状α相。

以往的β热处理采用的是将工件直接在β区加热的方法，所以要求加热系数η一般在0.7以上，如果采用准β热处理的分段加热方法，即先在α+β区上部温度预热，然后快速随炉升温至β区加热，则可大大缩短在β区的加热时间。研究表明，从α+β区升温到β区的时间大约为8min～10min，在此升温过程中，初生α相不断溶解，100mm厚的坯料只要在β区保温20min～25min(η＝0.2～0.25)就可以使得坯料中心和外部的组织均匀，而且在β区的加热温度越高，需要的保温时间也越短。

本发明技术方案正是利用β相变点附近区域加热，并采用控制初生α相溶解的分段加热方法，设计出准β热处理工艺。而本发明的目的也正是设计出一种获得高塑性片状组织的β热处理工艺，即该片状组织具有与网篮组织一样好的塑性，同时又有片状组织固有的优良特性，能满足损伤容限设计的要求。

本发明的技术方案是通过以下技术措施来实现的：

采用在经α+β区锻造的近α型和α-β型钛合金锻件，在III类炉，即有效工作区最大温度偏差不大于±10℃的电阻炉中加热。这一条件一般工厂都具备，并采用可控硅控温，温度波动±2℃。锻件或构件在炉温到达预热温度后装炉，摆放在有效工作区内。首先在T_β-(20～40)℃预热，炉子到达预热温度后计算保温时间，保温时间t(min)＝η×δ_max，δ_max(mm)为锻件或构件的最大截面厚度，η为加热系数，锻件或构件的预热加热系数η的取值为0.4～0.7；然后快速随炉升温至T_β-10℃～T_β+40℃后计算保温时间，保温时间t(min)的计算公式同上述一致，但加热系数η的取值为0.1～0.5；另外，锻件或构件也可不经上述预热保温步骤，而是将其直接在T_β-10℃～T_β+40℃加热，同样在到温后装炉，并在炉温到达上述温度后计算保温时间，保温时间t(min)的计算公式同上述一致，但加热系数η的取值为0.3～0.8；上述两种方法在加热并保温后均迅速水冷或空冷，以阻止晶界α相增厚；经过上述热处理后的锻件或构件根据技术要求再进行第二阶段的热处理。

本发明与常规的β热处理比较有以下优点：在β区的加热温度低，保温时间短；获得的低倍组织细，塑性高，疲劳性能好；K_IC、da/dN和蠕变性能相当；具有更好的综合力学性能。以下例子分别为经准β热处理工艺处理后的锻件、厚板和棒材等半成品的性能对比。

附图的图面说明如下：

图1为实施例三的高强高韧TC21鈦合金锻坯采用准β热处理工艺后得到的da/dN曲线

图2为实施例四的中等强度TC4-DT鈦合金厚板采用准β热处理工艺后的da/dN曲线

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

本发明技术方案的具体工艺步骤为：

该种钛合金准β热处理工艺，它所适用的钛合金类型为近α型钛合金和α-β型钛合金，其特征在于：该工艺包括以下步骤：

(1).钛合金锻件(或工件)的预热保温，将钛合金锻件(或工件)放在电阻炉中预热，预热温度为β相变点(T_β)以下20℃～40℃，即T_β-(20～40)℃，炉子到达预热温度后计算保温时间，保温时间t(min)＝η×δ_max，δ_max(mm)为锻件的最大截面厚度，η为加热系数，锻件(或工件)的预热加热系数η的取值为0.4～0.7；

(2).将步骤(1)预热保温后的锻件(或工件)随炉升温至T_β-10℃～T_β+40℃后计算保温时间，保温时间t(min)的计算公式同步骤(1)的一致，但加热系数η的取值为0.1～0.5；

(3).将上述在预定温度加热并达到预定的保温时间后的锻件(或工件)出炉迅速水冷或空冷。

另外，锻件(或工件)也可以不经过上述步骤(1)预热保温，而是将其直接加热至Tβ-10℃～Tβ+40℃后计算保温时间，保温时间t(min)的计算公式与上述权利要求1的步骤(1)中的一致，但加热系数η的取值为0.3～0.8；之后，将上述在预定温度加热并达到预定的保温时间后的锻件(或工件)出炉迅速水冷或空冷。

电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃，锻件(或工件)在炉温到达预热温度后装炉，摆放在有效工作区内。而上述步骤中的加热温度可以更精确地控制在T_β～T_β+10℃的范围内。适用于该种热处理工艺的钛合金类型为近α型钛合金和α-β型钛合金是经过α+β区锻造或成型的具有双态组织特征的锻件(或工件)。

实施例一：

TC21鈦合金模锻件采用上述新型准β热处理工艺处理后的性能从表一中可以看出，模锻件可以获得网篮组织，进一步提高了强度，同时，获得了高K_IC和低da/dN值的损伤容限性能(见图1)。

表1准β热处理工艺在高强韧鈦合金模锻件上的应用

实施例二：

新型准β热处理工艺与常规β热处理工艺、常规α+β热处理工艺(普通退火)的性能对比结果见表2所示。从表2可知，通过新型准β热处理工艺可以获得强度-塑性的良好匹配，其中，新型准β热处理工艺可以获得比常规β热处理工艺更好的塑性，而KIC与之相当，同时比常规α+β热处理工艺的KIC更高，而塑性与之相当。

表2新型β热处理工艺在TC4合金的应用(40mm厚板)

实施例三：

准β工艺处理后的棒材性能情况见表3所示。

表3 TC21钛合金φ90mm棒材经准β热处理后的力学性能

准β热处理	σ<sub>b</sub>MPa	σ<sub>0.2</sub>Mpa	δ<sub>5</sub>％	ψ％
					967℃/15min	1190	1073	10.5	23.7
967℃/30min	1153	1047	8.0	15.3
					967℃/45min	1137	1040	12.3	12.3

实施例四：

中等强度钛合金TC4-DT采用准β工艺处理后力学性能见表4所示，da/dN曲线见图2所示，可以看出，经过准β工艺处理后可以得到最佳的强度-塑性-韧性和最低的da/dN值，其中，KIC高达95以上，da/dN当 $\mathrm{\ΔK}=11\mathrm{MPa}\sqrt{m}$ 时低于8～9×10-9m/周(R＝0.1)。

表4 TC4-DT合金30mm厚板室温典型拉伸性能

本发明技术方案与现在工艺相比可以获得高塑性片状组织，解决了片状组织塑性低的技术关键。其塑性与网篮组织一样，断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力、蠕变抗力等则显著高于双态组织，可以制造鈦合金结构件等半成品及零件。

Claims (8)

1.一种钛合金准β热处理工艺，它所适用的钛合金类型为近α型钛合金或α-β型钛合金，其特征在于：该工艺包括以下步骤：

(1).钛合金锻件的预热保温，将钛合金锻件放在电阻炉中预热，预热温度为β相变点以下20℃～40℃，即T_β-20～-40℃，炉子到达预热温度后计算保温时间，保温时间t(min)＝η×δ_max(mm)，δ_max(mm)为锻件的最大截面厚度，η为加热系数，锻件的预热加热系数η的取值为0.4～0.7；

(2).将步骤(1)预热保温后的锻件随炉升温至T_β-10℃～T_β+10℃后计算保温时间，保温时间t的计算公式同步骤(1)的一致，但加热系数η的取值为0.1～0.5；

(3).将上述在预定温度加热并达到预定的保温时间后的锻件出炉迅速水冷或空冷。

2.根据权利要求1所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃，锻件在炉温到达预热温度后装炉，摆放在有效工作区内。

3.根据权利要求1所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：上述步骤(2)中的加热温度控制在T_β～T_β+10℃范围内。

4.根据权利要求1所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：近α型钛合金或α-β型钛合金在进行准β热处理之前，经过α+β区锻造或成型并具有双态组织特征。

5.一种钛合金准β热处理工艺，它所适用的钛合金类型为近α型钛合金或α-β型钛合金，其特征在于：该工艺包括以下步骤：

(1).锻件不经预热保温，直接加热至T_β-10℃～T_β+10℃后计算保温时间，保温时间t的计算公式与上述权利要求1的步骤(1)中的一致，但加热系数η的取值为0.3～0.8；

(2).将上述在预定温度加热并达到预定的保温时间后的锻件出炉迅速水冷或空冷。

6.根据权利要求5所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃。

7.根据权利要求5所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：上述步骤(1)中的加热温度控制在T_β～T_β+10℃范围内。

8.根据权利要求5所述的钛合金准β热处理工艺，其特征在于：近α型钛合金或α-β型钛合金在进行准β热处理之前，经过α+β区锻造或成型并具有双态组织特征。

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