CN101323939A - 一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺。采用将合合锻件加热到其相变点以下30℃～80℃的温度范围内，保温1～2小时，锻压锻件使其变形量至55％～75％，并空冷至室温；再加热锻件，至锻件的再结晶温度期间内，保温1～2小时，空冷至室温；再加热锻件，加热温度为相变点以上40℃～100℃，保温1～2小时，连续锻压，锻压锻件使其变形量至70％～90％；锻造后，用常温水快速冷却至室温；再加热锻件到其相变点以下30℃～80℃范围内，保温1～2小时，锻压锻件，并根据需要控制其变形量至20％～50％，并空冷至室温；再加热锻件到其相变点以下100℃～200℃范围内，保温1～2小时，空冷至室温。本发明能大幅度提高钛合金的强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等性能指标，工艺简便易行，延长钛合金的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于钛合金大损伤容限锻造及热处理，为一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺。
背景技术
钛及其合金是20世纪50年代兴起的一种重要的金属材料，同钢、铝等金属材料相比，它具有三个明显的优势：比强度高、中温性能好及耐腐蚀好。在短短的50年时间内，钛及钛合金得到了迅猛的发展，成为材料领域的重要组成部分。钛及其合金主要应用于航空领域，在化学工业、核工业、航天、船舶等领域也得到了越来越广泛的应用。因而钛合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术。在航空方面，钛合金是飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机战术技术性能的一个重要方面。但如何提高钛合金的断裂韧性和抗疲劳强度是各国迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺，该工艺可以把钛合金锻件的粗大不均匀β晶粒组织、粗大不均匀等轴组织和粗大不均匀双态组织加工为细小均匀的短片组织或细晶β网蓝组织，从而大幅度提高钛合金的强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等性能指标。本发明工艺简便易行，操作容易，可以节约能源，降低成本，延长钛合金使用寿命。
为此，本发明的制造方法是由以下步骤构成：
(1)将含粗大不均匀β网蓝组织(500μm～2000μm的粗晶)以及粗大双态和粗大等轴组织(50μm～200μm的粗晶)的锻件加热到其相变点以下30℃(Tβ-30℃)～80℃(Tβ-80℃)的温度范围内，保温1～2小时，锻压锻件使其变形量至55％～75％，使其粗大晶粒破碎，并空冷至室温；
(2)再加热锻件，至锻件的再结晶温度期间内，保温1～2小时，空冷至室温，使粗大破碎的晶粒细化及均匀化；
(3)再加热锻件，加热温度为相变点以上40℃～100℃，保温1～2小时，连续锻压，锻压锻件使其变形量至70％～90％，使其发生动态再结晶而细化该锻件组织β区晶粒；
(4)锻造后，用常温水快速冷却至室温；
(5)再加热锻件到其相变点以下30℃～80℃范围内，保温1～2小时，锻压锻件，并根据需要控制其变形量至20％～50％，并空冷至室温；
(6)再加热锻件到其相变点以下100℃～200℃范围内，保温1～2小时，空冷至室温。
所述的根据需要控制其变形量至20％～30％。所述的根据需要控制其变形量至40％～50％。
本发明的优点是可以把钛合金锻件的粗大不均匀β晶粒组织、粗大不均匀等轴组织和粗大不均匀双态组织加工为细小均匀的短片组织或细晶β网蓝组织，从而大幅度提高钛合金的强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等性能指标。本发明工艺简便易行，操作容易，可以节约能源，降低成本，延长钛合金使用寿命。
具体实施方式
第一步，将粗大不均匀β网蓝组织(500μm～2000μm的粗晶)以及粗大双态和粗大等轴粗组织(50μm～200μm的粗晶)的锻件，加热到相变点以下30℃(Tβ-30℃)～相变点以下80℃(Tβ-80℃)的温度范围内(α+β区)，保温1～2小时，用缎压机锻压锻件，使其锻造变形量达55％～75％，使其粗大晶粒破碎，置在空气中自然冷却至室温。
第二步，再加热锻件，至锻件的在结晶温度期间内，保温1～2小时，空冷到室温，使该锻件粗大破碎的晶粒发生再结晶，进一步细化及均匀化该锻件合金组织。变形量为锻件变形前的高度减去锻件变形后的高度除以锻件变形前的高度(或使用截面积计算，变形量为锻件变形后的水平截面积减去锻件变形前的水平截面积除以锻件变形后的水平截面积)。
第三步，再加热锻件，加热温度为该锻件相变点以上40℃(Tβ+40℃)～相变点以上100℃(Tβ+100℃)，保温1～2小时，连续锻压，使其锻压变形量达70％～90％，使β晶粒破碎。同时，在热变形过程中发生动态再结晶，使组织转变成为比较细小的β晶粒。
第四步，锻造后，用常温水快速冷却到室温，使该合金发生相变，该合金在β晶粒的{110}晶面析出α相，进一步细化合金的组织。
第五步，加热该锻件在相变点以下30℃(Tβ-30℃)～相变点以下80℃(Tβ-80℃)范围内，保温1～2小时，锻压锻件，根据需要控制其变形量至20％～50％，并空冷至室温。
第六步，加热该锻件在相变点以下100℃(Tβ-100℃)～相变点以下200℃(Tβ-200℃)范围内，保温1～2小时，空冷至室温。
若第五步所述的根据需要控制其变形量至20％～30％，并空冷至室温。再进行第六步，则可以得到细晶β网蓝组织，细晶β晶粒尺寸10μm～100μm。
若第五步所述的根据需要控制其变形量至40％～50％，并空冷至室温。再进行第六步，即在相变点以下100℃(Tβ-100℃)～相变点以下200℃(Tβ-200℃)范围内温度下保温1～2小时，空冷至室温，可以得到细小均匀的短片组织，α片厚度1～3μm。
具体实施方案以TA15钛合金为例：TA15钛合金的相变点为990～1000℃，再结晶温度为800～950℃。
本发明的TA15钛合金加工工艺过程为：将粗大不均匀β网蓝组织(500μm～2000μm的粗晶)以及粗大双态和粗大等轴粗组织(50μm～200μm的粗晶)的锻件，加热到温度950℃(α+β区)，保温1.5小时，锻压该钛合金锻件，使其变形量为60％，使粗大晶粒破碎，并空冷至室温。再加热该锻件，至再结晶温度850℃，保温1小时，空冷到室温，使该锻件合金发生再结晶，细化及均匀化合金组织。再加热该锻件，至温度1070℃，保温1小时，连续锻压该锻件，使其变形量达80％，使β晶粒破碎。同时，在热变形过程中发生动态再结晶，使组织转变成为比较细小的β晶粒。锻造后，用常温水(20℃左右)快速冷却到室温(20℃左右)，使合金发生相变，合金在β晶粒的{110}晶面析出α相，进一步细化合金的组织。
再加热该锻件，至温度950℃，保温1.5小时，锻压该锻件使其变形量为25％，并空冷到室温。再加热该锻件，在830℃保温1.5小时，空冷到室温。可以得到细晶β网蓝组织，细晶β晶粒尺寸10μm～100μm。若该步骤为加热该锻件，至温度950℃，保温1.5小时，锻压该锻件使其变形量为45％，并空冷到室温。再加热该锻件，在830℃保温1.5小时，空冷到室温，可以得到细小均匀的短片组织，α片厚度1～3μm。
本发明的钛合金大损伤容限锻造及热处理的优点是可以使锻件获得短片组织和细晶β网蓝组织。两种组织的综合性能非常好，会对未来钛合金锻件的发展及应用产生更多贡献。本发明的钛合金大损伤容限锻造及热处理与相关一般锻造工艺相比，属于比较先进、容易操作的热加工工艺，便于工厂的规模化生产及应用。市场应用前景非常广阔。本发明容易操作，可以节约能源，降低成本，由此产生巨大的经济效益。同时，通过钛合金大损伤容限锻造及热处理工艺而得到的锻件，其测试得到的性能数据比较好，达到了国际先进水平，可以使强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等性能指标大幅提高。这可以进一步提高飞机用钛合金锻件零部件的性能，提升我国战斗飞机的各种飞行性能，并由此产生巨大的社会效益。
以TA15钛合金锻件的性能为例，本发明制造出钛合金短片和细晶β网蓝组织，与常规锻造的锻件组织的性能进行对比分析。
表1短片组织锻件的测试性能与一般组织锻件的性能对比
表2细晶β网蓝组织锻件的测试性能与一般组织锻件的性能对比
表1是用本发明工艺获得的钛合金短片组织锻件的强度、塑性与断裂韧度与传统工艺获得的不同组织性能比较，比较表明用本发明工艺获得的钛合金短片组织锻件的强度、塑性与断裂韧度KIC都比常规组织的性能高。
表2也可以看出，用本发明工艺获得的钛合金锻件的细晶β网蓝组织的强度、塑性、断裂韧度KIC和疲劳强度都比常规组织的性能高。
采用钛合金大损伤容限锻造及热处理的热加工工艺(最佳微观组织和实用的最佳综合性能的钛合金锻件热加工工艺)所锻造及热处理出来的锻件，其强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等综合性能都比较好，与普通工艺的锻件性能相比，各项性能指标有明显的提高。短片组织在强度和塑性稍有提高时，可以提高断裂韧度KIC值最高达125％；细晶β网蓝组织在强度和塑性稍有提高时，可以提高断裂韧度KIC值38％～67％，提高疲劳强度值8％～40％。
其中，短片组织的锻件，可以满足设计部门所需要的最大断裂韧度KIC，即大损伤容限的设计要求；而细晶β网蓝组织的锻件，可以满足设计部门所需要的最佳综合性能，即大损伤容限与强度、塑性最佳配合的设计要求。
总之，本发明可以把钛合金锻件的粗大不均匀β晶粒组织、粗大不均匀等轴组织和粗大不均匀双态组织加工为细小均匀的短片组织或细晶β网蓝组织，从而大幅度提高钛合金的强度、塑性、断裂韧度KIC、疲劳强度等性能指标。本发明工艺简便易行，操作容易，可以节约能源，降低成本，延长钛合金使用寿命。
Claims (3)
1、一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺，其特征在于该制造方法是由以下步骤构成：
(1)将含粗大不均匀β网蓝组织以及粗大双态和粗大等轴组织的锻件加热到其相变点以下30℃～80℃的温度范围内，保温1～2小时，锻压锻件使其变形量至55％～75％，使其粗大晶粒破碎，并空冷至室温；
(2)再加热锻件，至锻件的再结晶温度期间内，保温1～2小时，空冷至室温，使粗大破碎的晶粒细化及均匀化；
(3)再加热锻件，加热温度为相变点以上40℃～100℃，保温1～2小时，连续锻压，锻压锻件使其变形量至70％～90％，使其发生动态再结晶而细化该锻件组织β区晶粒；
(4)锻造后，用常温水快速冷却至室温；
(5)再加热锻件到其相变点以下30℃～80℃范围内，保温1～2小时，锻压锻件，并根据需要控制其变形量至20％～50％，并空冷至室温；
(6)再加热锻件到其相变点以下100℃～200℃范围内，保温1～2小时，空冷至室温。
2、根据权利要求1所述的一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺，其特征在于：所述的根据需要控制其变形量至20％～30％。
3、根据权利要求1所述的一种提高钛合金断裂韧性和抗疲劳强度的热加工工艺，其特征在于：所述的根据需要控制其变形量至40％～50％。
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