CN101717904B - 一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，它涉及一种在钛合金中获得三态组织的热处理工艺。本发明解决了获得三态组织钛合金的近β锻造技术存在的工作温度区间相对较窄和不便于温度的控制的问题。本发明的工艺步骤为：第一次热处理，将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10～30℃的温度范围内保温，保温时间每1mm保温60～300s，再放入水槽冷却到室温；第二次热处理，将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40～60℃的温度范围内保温，保温时间在第一次热处理保温时间的基础上增加30～60min，然后以空冷方式进行冷却，得到三态组织钛合金。本发明的热处理工艺无需近β热变形预处理，且工作温度区间宽和便于温度的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种在钛合金中获得三态组织的热处理工艺，属于钛合金热加工技术领域。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高的优点，是航天航空、石油化工、生物医学等领域的重要材料。对于双相钛合金，通过不同的热加工工艺可以获得不同的显微组织。双态组织和片状组织是双相钛合金的两种典型组织。双态组织由等轴α和β转变组织构成，具有双态组织的钛合金，其塑性和热稳定性较好，高温性能和断裂韧性相对较差。具有片状组织的钛合金，其塑性和热稳定性相对较差，而高温性能和断裂韧性较好。近十多年，科研人员通过近β锻造技术在钛合金中获得了三态组织，这种组织包含20％等轴α、50～60％片状α及余下为β转变组织。三态组织综合了双态组织和片状组织的优点，因此具有良好的综合性能，具有三态组织的钛合金，其塑性、热稳定性、高温性能和断裂韧性均较好。目前除近β锻造技术外，尚未见报道有其它方法可在双相钛合金中获得三态组织。而近β锻造需在α+β→β转变点以下10～20℃进行锻造，工作温度区间相对较窄，不便于温度的控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决获得三态组织钛合金的近β锻造技术存在的工作温度区间相对较窄和不便于温度的控制的问题，进而提供一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺。
本发明的一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺的步骤为：
步骤一：第一次热处理，将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10～30℃的温度范围内保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温60～300s，保温结束后迅速放入水槽冷却到室温；
步骤二：第二次热处理，将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40～60℃的温度范围内保温，保温时间在第一次热处理保温时间的基础上增加30～60min，然后以空冷方式进行冷却，得到三态组织钛合金。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的热处理工艺无需近β热变形预处理，且工作温度区间宽和便于温度的控制；本发明的热处理工艺简便易行且适用范围广泛，只要初始组织为等轴α和β转变组织构成的双态组织即可，不管是退火状态还是热变形后冷却状态均可采用本发明的热处理工艺；若应用本发明的热处理工艺对热变形后的钛合金工件进行处理，则在工件满足尺寸精度的前提下，不须对热变形温度做严格要求，只要热变形温度在α+β区内采用本发明的热处理工艺均能够获得三态组织钛合金。
附图说明
图1是β转变点为980℃钛合金的原始组织图，图2是钛合金普通双相区退火后的双态组织图，图3是钛合金β热处理后的片状组织图，图4是热处理工艺曲线图(图中横轴为时间，纵轴为温度，1为第一次热处理温度上升曲线，2为第一次热处理保温曲线，3为第一次热处理水冷曲线，4为第二次热处理温度上升曲线，5为第二次热处理保温曲线，6为第二次热处理水冷曲线，7为β转变点曲线)，图5是经过第一次热处理后的钛合金组织图，图6是第二次热处理后得到的钛合金的三态组织图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺的步骤为：
步骤一：第一次热处理，将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10～30℃的温度范围内保温，所述β转变点的温度为1000±20℃，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温60～300s，保温结束后迅速放入水槽冷却到室温；
步骤二：第二次热处理，将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40～60℃的温度范围内保温，所述β转变点的温度为1000±20℃，保温时间在第一次热处理保温时间的基础上增加30～60min，然后以空冷方式进行冷却，得到三态组织钛合金。
通过步骤一可以在钛合金组织中保留一定含量的等轴初生α相，含量在10～30％之间，余下的为马氏体；通过步骤二可以使在第一次热处理中得到的等轴初生α相保持原来的含量与形态，而在第一次热处理中得到的一部分细针状马氏体粗化成为具有一定厚度的片状α，另外通过空冷可获得一定含量的β转变组织；通过两次热处理就可以获得由等轴初生α、片状α及β转变组织构成的三态组织钛合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温60s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点45℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温60s的基础上增加40min。
本实施方式的热处理工艺曲线参见图4，经过第一次热处理后的钛合金组织如图5所示，经过第二次热处理后得到的钛合金的三态组织如图6所示，得到的三态组织钛合金在室温下的强度为1105MPa，500℃温度下的强度为753MPa，室温下的延伸率为15.96％，冲击韧性为45.44J/cm2。β转变点为980℃钛合金的原始组织如图1所示，钛合金普通双相区退火后的双态组织如图2所示，得到的双态组织钛合金在室温下的强度为1156MPa，500℃温度下的强度为705MPa，室温下的延伸率为12.23％，冲击韧性为27.78J/cm2；钛合金β热处理后的片状组织如图3所示，得到的片状组织钛合金在室温下的强度为1078MPa，500℃温度下的强度为719MPa，室温下的延伸率为9.8％，冲击韧性为46.75J/cm2。由上述力学性能数据可以看出双态组织钛合金塑性较好，但冲击韧性较低；片状组织钛合金冲击韧性较高，而塑性相对较低；三态组织钛合金由于综合了片状组织和双态组织的优点，从而具有良好的综合性能，在保持较高强度和塑性的同时，其冲击韧性与片状组织基本相当。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点15℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温70s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温70s的基础上增加45min。
本实施方式的得到的三态组织钛合金在室温下的强度为1092MPa，500℃温度下的强度为750MPa，室温下的延伸率为13.58％，冲击韧性为42.16J/cm2。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点20℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温80s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点50℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温80s的基础上增加50min。
本实施方式的得到的三态组织钛合金在室温下的强度为1089MPa，500℃温度下的强度为746MPa，室温下的延伸率为13.11％，冲击韧性为41.53J/cm2。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点25℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温90s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点55℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温90s的基础上增加55min。
本实施方式的得到的三态组织钛合金在室温下的强度为1091MPa，500℃温度下的强度为740MPa，室温下的延伸率为13.98％，冲击韧性为39.55J/cm2。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点30℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温100s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点60℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温100s的基础上增加60min。
本实施方式的得到的三态组织钛合金在室温下的强度为1085MPa，500℃温度下的强度为741MPa，室温下的延伸率为14.19％，冲击韧性为42.58J/cm2。
Claims (6)
1.一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：热处理工艺的步骤为：
步骤一：第一次热处理，将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10～30℃的温度范围内保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温60～300s，保温结束后迅速放入水槽冷却到室温；
步骤二：第二次热处理，将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40～60℃的温度范围内保温，保温时间在第一次热处理保温时间的基础上增加30～60min，然后以空冷方式进行冷却，得到三态组织钛合金。
2.根据权利要求1所述一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点10℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温60s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点45℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温60s的基础上增加40min。
3.根据权利要求1所述一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点15℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温70s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点40℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温70s的基础上增加45min。
4.根据权利要求1所述一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点20℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温80s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点50℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温80s的基础上增加50min。
5.根据权利要求1所述一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点25℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温90s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点55℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温90s的基础上增加55min。
6.根据权利要求1所述一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β转变点30℃的温度下保温，保温时间以钛合金材料的最大横截面的长边尺寸计算，即每1mm保温100s；步骤二中将经过第一次热处理后的钛合金加热到低于β转变点60℃的温度下保温，保温时间为每1mm保温100s的基础上增加60min。
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