CN102517530B - 一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法，首先对钛合金坯料进行(α_等轴+β_转)两相区域改锻，然后对经过改锻的坯料进行β锻造(是一种相变点以上加热的锻造方法)，最后进行β热处理，使其在改锻后初步形成一种细小密集的网篮织构，在最后的β热处理过程中，生成β晶粒内的细小片状α_转相和晶界处细小分散断续的α_转相，提高了β型钛合金综合组织性能。本发明通过(α_{等 轴}+β_转)两相区加热改锻加之β锻造，较大的变形量形成的形核能和碎晶组织为后续β热处理改善片状α_转相和粒状β_转相奠定良好的基础，从而获得组织均匀、细小、织构致密，综合性能指标良好的构件。

Description

一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，涉及一种获得高强度高韧性细密织构网篮组织的钛合金热加工方法。

背景技术

Ti5553钛合金，其表达式为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr，该合金材料属于β型钛合金，目前主要用于波音787飞机、空客A350飞机的起落架、机翼结构等20多种承力部件，代替原来所用的Ti-6Al-4V和Ti-1023合金。据统计，应用Ti5553合金可以减轻飞机总质量的8％。该材料的研制成功，使之在国内C919等大型民机项目上得到推广应用，也可进一步推广应用于其它军机项目结构件当中。

对于该合金，因热加工工艺不同可以获得不同类型的显微组织，其中实际引用最多的组织是网篮组织，即(α_转+β_转)，也就是在β_转基体上存在片状α_转组织，共同构成网篮状的β组织。这种网篮组织K1C(断裂韧性)性能高，在加工工艺方法合适的情况下，强度高，塑性也会很好。

该合金原有的热加工工艺方法一般采用的是(α_等轴+β_转)两相区锻造+β热处理方法(即相变点以上的热处理方法)，得到的组织虽然也是网篮组织，但初生α相即α_等轴相比较粗大，β_转基体上的β晶粒的晶界上是由连续平直厚大的片状α_转相形成，导致材料强度降低，进而影响构件的可靠性，所以解决Ti5553钛合金强度和韧性综合性能指标匹配问题一直是一大难题。

为了解决Ti5553钛合金强度和韧性综合性能指标匹配问题，人们曾经尝试研究用不同的热加工方法，希望获得既没有粗大的初生α相即α_等轴相，也没有β晶粒晶界处连续平直厚大的α_转相，同时粗大的β晶粒能够得到细化，且只有晶粒内细密织构的细片状α_转相和β晶界处断续的片状α_转相，这种网篮组织更加均匀，更加细小，裂纹扩展路径更加曲折，从而使该合金的强度、塑性和K1C(断裂韧性)提高，这就是一种理想的β型钛合金组织，可以获得良好的综合性能指标。但是限于技术条件和设计思路的局限，国内一直未研究出理想的加工工艺获得这种理想的β型钛合金组织。

发明内容

本发明的目的：设计一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法，使之同时获得高强度、高塑性和高的断裂韧性，提高Ti5553钛合金构件的可靠性。

本发明的技术方案是：一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法，首先对钛合金坯料进行(α_等轴+β_转)两相区域改锻，然后对经过改锻的坯料进行β锻造(是一种相变点以上加热的锻造方法)，最后进行β热处理，使其在改锻后初步形成一种细小密集的网篮织构，在最后的β热处理过程中，生成β晶粒内的细小片状α_转相和晶界处细小分散断续的α_转相，提高β型钛合金综合组织性能。具体包括以下步骤：

(一)对钛合金坯料进行(α_等轴+β_转)两相区域改锻：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时(其中T_β为Ti5553材料的相变点)，将Ti5553钛合金坯料放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β-30℃后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在自由锻锤上多向镦拔改锻，变形量控制在50％～70％；改锻的过程中，要求控温打钛，防止变形热引起组织过热或过烧；

(二)取样检测：改锻完成后，对经过改锻的钛合金进行取样检测，如得到细晶匀质的(α_等轴+β_转)组织，即进入下面的步骤(三)；如未得到细晶匀质的(α_等轴+β_转)组织，则重新返回步骤(一)进行改锻；

(三)锻件预制：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时，将改锻后的Ti5553钛合金坯料放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β-30℃后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行锻件预制，变形量控制在15％～20％；

(四)β锻造：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β+20时，将Ti 5553钛合金预制锻件放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β+20后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行最终锻件制作，变形量控制在20％～30％；

(五)β热处理：使用电阻炉进行热处理，锻件装炉后送电升温，当炉温达到(T_β+35)时，进行保温，保温时间≥90min；保温时间达到后，以每分钟1～3℃空冷至规定的时效温度后进行时效；时效温度取555℃≤T≤648℃，保温时间≥8h；保温时间达到后，出炉空冷。

本发明的有益效果是：本发明采用(α_等轴+β_转)两相区加热改锻加之β锻造，较大的变形量形成的形核能和碎晶组织为后续β热处理改善片状α_转相和粒状β_转相奠定良好的基础，从而获得组织均匀、细小、织构致密，综合性能指标良好的构件。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法，首先对钛合金坯料进行(α_等轴+β_转)两相区域改锻，然后对坯料进行β锻造(是一种相变点以上加热的锻造方法)，最后进行β热处理，使其在改锻后初步形成一种细小密集的网篮织构，在最后的β热处理过程中，晶粒长大受到错综交织的网篮织构以及大变形过程中大量的位错限制，只有β晶粒内的细小片状α_转相重新排列组合，在大量位错能的驱动下形核长大形成新的细密织构，晶界处由细小分散断续的α_转相形成，极大地提高了β型钛合金综合性能指标。

具体步骤如下：

1、使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时(其中T_β为Ti 5553材料的相变点)，将φ250的Ti5553钛合金棒料放入电阻炉中加热，到温后，即炉温再次达到T_β-30℃后，开始计算保温时间，取保温时间为200min；保温时间达到以后，立即出炉在自由锻锤上多向镦拔改锻，变形量控制在50％～70％；

2、改锻在3T自由锻锤上进行，一火次控制在≤15锤，3火次完成改锻，防止热效应产生过热过烧。改锻完成后，取样目视进行低倍检查，在金相显微镜下检查高倍组织，得到细晶匀质，无过热过烧的组织；

3、使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时(其中T_β为Ti5553材料的相变点)，将改锻后的Ti5553钛合金坯料放入电阻炉中加热，到温后，即炉温再次达到T_β-30℃后，开始计算保温时间，保温时间70min，保温时间达到以后，立即出炉在自由锻锤上进行锻坯制作，变形量控制在10％～15％；

4、使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时，将Ti5553钛合金锻坯放入电阻炉中加热，到温后，即炉温再次达到T_β-30℃后，开始计算保温时间，取保温时间60min，保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行锻件预制，变形量控制在15％～20％；

5、使用电阻炉加热，当炉温达到T_β+20时，将Ti5553钛合金预制锻件放入电阻炉中加热，到温后，即炉温再次达到T_β+20后，开始计算保温时间，取保温时间60min，保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行最终锻件制作，变形量控制在20％～30％。

注：采用下列热处理制度进行热处理，见表一：

表一Ti5553热处理要求

所有锻造过程当中，坯料转移时间≤10s，终锻温度≥750℃，冷却方式为空冷。电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃，坯料或锻件在炉温到达加热温度后装炉，摆放在有效工作区内。采用巡检仪控温，确保加热温度的精确性。

下面对本方法与以往的热加工方法进行效果对比：

(1)Ti5553钛合金模锻件1#试验，未改锻，未模锻，(T_β+35℃)退火+600℃时效的热处理工艺措施后的性能，从表二可以看出，坯料组织粗大且不均匀，β转变基体上的β晶粒的晶界上是由连续平直厚大的片状α_转相形成，强度低。

表二Ti5553钛合金1#试验坯料机械性能

(2)Ti5553钛合金模锻件2#试验，采用T_β-30℃(α_等轴+β_转)两相区改锻，T_β-30℃预锻与T_β-30℃终锻联合模锻，(T_β+35℃)退火+600℃时效的β热处理工艺措施后的性能，从表三中可以看出，模锻件获得细密织构网篮组织，强度、塑性有所提高，但KIC性能没有太大的提高。

(3)Ti5553钛合金模锻件3#试验采用本发明方法，T_β-30℃(α_等轴+β_转)两相区改锻，T_β-30℃预锻与T_β+20℃β锻造联合模锻，(T_β+35℃)退火+600℃时效的β热处理工艺措施后的性能，从表三可以看出，模锻件获得细密织构网篮组织，进一步提高了强度、塑性、KIC性能。

由此可以看出，本发明与Ti5553钛合金原有热加工工艺相比，可以获得高强度、高塑性、高KIC的综合性能指标，解决了Ti5553钛合金综合性能指标不匹配的技术问题，其优异的综合性能指标与其细密织构网篮组织有直接的关系，可以制造综合性能指标要求高的钛合金结构件。

表三Ti5553钛合金2#、3#试验综合性能指标对比(见下页)

Claims (1)

1.一种提高Ti5553钛合金组织性能的热加工方法，首先对钛合金坯料进行（α_等轴+β_转）两相区域改锻，然后对经过改锻的坯料进行β锻造，最后进行β热处理，使其在改锻后初步形成一种细小密集的网篮织构，在最后的β热处理过程中，生成β晶粒内的细小片状α_转相和晶界处细小分散断续的α_转相，其特征是，包括以下具体步骤：

（一）对钛合金坯料进行（α_等轴+β_转）两相区域改锻：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时（其中T_β为Ti5553材料的相变点），将Ti5553钛合金坯料放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β-30℃后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在自由锻锤上多向镦拔改锻，变形量控制在50%～70%；改锻的过程中，要求控温打钛，防止变形热引起组织过热或过烧；

（二）取样检测：改锻完成后，对经过改锻的钛合金进行取样检测，如得到细晶匀质的（α_等轴+β_转）组织，即进入下面的步骤（三）；如未得到细晶匀质的（α_等轴+β_转）组织，则重新返回步骤（一）进行改锻；

（三）锻件预制：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β-30℃时，将改锻后的Ti5553钛合金坯料放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β-30℃后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行锻件预制，变形量控制在15%～20%；

（四）β锻造：使用电阻炉加热，当炉温达到T_β+20时，将Ti5553钛合金预制锻件放入电阻炉中加热，当炉温再次达到T_β+20后，开始保温，保温时间按加热系数×坯料截面厚度或直径计算，加热系数取0.5～0.8min/mm，根据截面厚度或直径由小到大，加热系数取值也由小到大进行调整；保温时间达到以后，立即出炉在模锻锤上进行最终锻件制作，变形量控制在20%～30%；

（五）β热处理：使用电阻炉进行热处理，锻件装炉后送电升温，当炉温达到（T_β+35）时，进行保温，保温时间≥90min；保温时间达到后，以每分钟1～3℃空冷至规定的时效温度后进行时效；时效温度取555℃≤T≤648℃，保温时间≥8h；保温时间达到后,出炉空冷。