CN101545084B - Ti5Mo5V2Cr3Al合金β晶粒自细化的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金的加工工艺，具体而言，提供一种Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括如下步骤：1.锻坯下料后，在锻机上于1000～1100℃进行开坯锻；2.按需求切料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻成直径90～160mm的棒材；3.在700～800℃保温1～3小时，炉冷至室温；4.500～560℃保温6～10小时；5.升温至600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。其中钛合金的主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余量为钛。

Description

Ti5Mo5V2Cr3Al合金β晶粒自细化的加工工艺
技术领域
本发明涉及钛合金的加工工艺，具体而言，涉及较大尺寸的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金棒材热处理的加工工艺。
背景技术
Ti5Mo5V3Al-XCr系钛合金是我国自主研发的一类系列合金，由于其高强度和高韧性的特性，能够广泛地应用于航空航天领域。其中Ti5Mo5V2Cr3Al合金是在Ti5Mo5V8Cr3Al钛合金基础上研制成功的一种近β型钛合金，由于其具有轻质、高强度、高延性、优异的抗冲击性能和断裂韧性以及良好的锻造性能和机械加工性能，适合于制造飞机的起落架及其他航空航天用大型锻件。
Ti5Mo5V2Cr3Al合金主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余量为钛。通常中、细尺寸棒材具有优良的延性和冲击韧性，但随着棒材尺寸的增加，其延伸率、断面收缩率和冲击韧性显著降低。我们知道，延伸率、断面收缩率是决定合金性能的重要指标，高的延伸率、断面收缩率可以使合金在高强状态下具有优良的冷变形性能，可以抵抗裂纹的产生和扩展，因而使合金具有高的冲击韧性、断裂韧性和抗疲劳性能。因此，通过改进加工工艺，使热处理后的较大尺寸钛合金在保证一定强度的同时具有较高的延性和冲击韧性成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的研究人员在Ti5Mo5V2Cr3Al合金热处理的工艺研究中发现，通过在热处理过程中采用反复炉冷的加工工艺，可以使较粗的Ti5Mo5V2Cr3Al合金棒材中β晶粒得到细化，经此工艺加工后的Ti5Mo5V2Cr3Al合金具有异常高的拉伸延性和冲击韧性。由此提出本发明。
本发明提供一种Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括如下步骤：
1.锻坯下料后，在锻机上于1000～1100℃进行开坯锻；
2.按需求切料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻成直径90～160mm的棒材；
3.在700～800℃保温1～3小时，炉冷至室温；
4.500～560℃保温6～10小时；
5.升温至600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。
本发明的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的加工工艺，其中钛合金的主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余量为钛。
经本发明方法处理后的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金，β晶粒中初生α相大量析出并长大，从而在β晶粒上新生了大量的界面，起到细化β晶粒的作用。因而在保证一定强度的同时拉伸延性和冲击韧性有了极大的提高。
附图说明
图1为比较样品1金相组织图(×400)。
图2为样品1金相组织图(×500)。
具体实施方式
以下将详细描述本发明。
本发明的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金加工工艺中采用了固熔时效结合反复炉冷的热处理工艺，得到了综合性能较佳的合金棒材。一方面，在略低于相变点的温度固溶可以改善Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的强韧性能，Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金的相变点约为800℃，本发明加工工艺的固溶温度为700～800℃。另一方面，Ti5Mo5V2Cr3Al具有较强的时效硬化能力，固溶后时效有利于提高合金的强度。再者，在常规热处理工艺中，固溶及时效后通常采用空冷或水淬的冷却方式，结果合金组织呈粗大的β晶粒；而本发明固溶及时效后采用反复炉冷工艺，从而在β相中产生大量初生α相，有效提高了Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金锻件的断面收缩率以及冲击韧性。
以下结合实施例具体说明，但本发明并不限于该实施例。
实施例1
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品1。
实施例2
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.51；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于1000℃经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于750℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1小时内升温至560℃保温6小时。随后在40分钟内升温至610℃保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品2。
实施例3
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：2.47；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1100℃锻造开坯，于900℃经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于720℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1.5小时内升温至500℃保温10小时。随后在40分钟内升温至600℃保温1小时，炉冷至室温。得到钛合金样品3。
实施例4
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品4。
实施例5
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.51；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于750℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1.5小时内升温至560℃保温8小时。随后在40分钟内升温至610℃保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品5。
实施例6
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1000℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ90mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，炉冷至室温。得到钛合金样品6。
实施例7
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：2.47；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1100℃锻造开坯，于900℃经3次火镦拔，锻成Φ90mm棒材，在退火炉中于720℃保温2小时，炉冷至室温。其后在1.5小时内升温至500℃保温10小时。随后在40分钟内升温至600℃保温1小时，炉冷至室温。得到钛合金样品7。
比较例1
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ160mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，水淬。其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，空冷。得到钛合金比较样品1。
比较例2
按以下比例配合金料，主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.8；V：4.9；Cr：1.81；Al：3.1；Fe：0.11；C：0.008；N：0.010；H：0.0015；O：0.10；余量为钛。将配料压制成电极。在真空自耗电炉经两次熔炼得到铸锭。于1050℃锻造开坯，于950℃经3次火镦拔，锻成Φ120mm棒材，在退火炉中于770℃保温2小时，空冷至室温。其后在1小时内升温至520℃保温8小时。随后在40分钟内升温至630℃保温2小时，空冷至室温。得到钛合金比较样品2。
实施例8钛合金的强度及拉伸性能实验
将样品1-7及比较样品1-2加工成Φ5mm的常规拉伸试样。试验在AG50KNE试验机上完成。钛合金的强度及拉伸性能如表1所示。
                                表1
  бb MPa   δ5％   ψ％   Ak J   αku J/cm2
  样品1   1020   14.0   70.0   76   95
  样品2   1010   16.0   71.5   75   97
  样品3   1025   13.5   67.5   72   90
  样品4   1050   16.5   71.9   74   96
  样品5   1030   16.7   72.6   72   95
  样品6   1060   16.9   72.0   75   97
  样品7   1065   16.6   70.5   72   91
  比较1   1300   6.0   16.0   23   28
  比较2   1280   8.0   18.0   20   25
比较表1中的数据可知，较大尺寸的Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金材料经固溶空冷时效的工艺处理后，在强度为1000Mpa左右时，断面收缩率和抗冲击韧性有了很大的提高，获得了接近小尺寸棒材的韧性指标，延伸率为13.5％～16.9％，断面收缩率达到67.5％～72.6％，尤其是获得了非常高的冲击韧性90～97J/cm2。
实施例9
在金相显微镜下观察样品1和比较样品1的金相结构。
结果如图1、图2所示，图1为比较例1中钛合金Φ160mm锻件经固溶空冷时效后的金相照片，获得的比较样品1组织为粗大的等轴状晶粒，并没有看到初生α相，视场范围内全是由时效基体β相组成，这种组织对材料的延性及韧性有消极作用。图2是实施例1中钛合金Φ160mm锻件经固熔炉冷时效后的金相照片，可以看出组织由岛状或长条状的初生α相和β基体组成。初生α相数量很多，分布纵横交错。对比两张金相图片发现，通过控制热处理制度及冷却速度，可以控制初生α相的生成，从而能有效提高较大尺寸Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金锻件的断面收缩率以及冲击韧性。

Claims (2)

1. 一种Ti5Mo5V2Cr3Al钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其包括如下步骤：
(1)锻坯下料后，在锻机上于1000～1100℃进行开坯锻；
(2)按需求切料，在900～1000℃进行2～4次镦拔，锻成直径90～160mm的棒材；
(3)在700～800℃保温1～3小时，炉冷至室温；
(4)500～560℃保温6～10小时；
(5)升温至600～650℃保温1～3小时，炉冷至室温。
2. 根据权利要求1所述的钛合金β晶粒自细化的加工工艺，其中所述钛合金的主要合金元素含量(wt％)为：Mo：4.5％～5.7％；V：4.5～5.7％；Cr：1.5％～2.5％；Al：2.5％～3.5％；余量为钛。
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