CN102758158B - 一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法 - Google Patents
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Abstract
一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法,将近α坯料在α+β两相区锻造,改善钛合金的初始组织,得到含有等轴α的等轴或双态组织,为后续的热处理工艺提供了组织形态上的准备。本发明中α+β两相区锻造温度区间比近β锻造范围更宽,加热温度更低,避开了近β锻造温度区间较窄,接近β相转变温度Tβ,高温多火次加载晶粒易粗化等问题。在后续热处理过程中,通过不同的热处理温度与冷却方式的组合,控制等轴α的含量,β转变基体上条状α的析出,最终得到三态组织钛合金。本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求,适用多种初始组织类型的钛合金,在α+β两相区锻造后通过热处理获得三态组织,为钛合金锻件获得三态组织提供了一种有效的工艺路径。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金热加工技术领域,具体是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺。
背景技术
钛合金作为一种高性能的材料,具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点,在航空航天、石油化工、生物制药等领域占有重要的地位。近α钛合金(如TA15)具有α钛合金良好的热强性和可焊性以及接近于α+β型钛合金的工艺塑性。与铸造相比,锻造可以生产横截面积更大的产品,同时通过合理的加工和严格的工艺控制,产品性能重现性好。钛合金锻件作为飞机等关键承力构件,因其服役环境恶劣,要求具有优异的综合性能(室温/温性能、断裂韧性等)。在钛合金的典型微观组织中,三态组织由约20%等轴α、50~60%条状α和β转变基体组成,不仅具有好的塑性,同时具有高的高温性能、低周疲劳性性能和断裂韧性,其综合性能优异,能够满足钛合金航空锻件的服役要求。近十多年来,周义刚等在《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》中、哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中、西北工业大学在公开号为CN 102212745A的发明专利申请中提出了获得三态组织钛合金的方法。近β锻造在中国航空工业标准HB/Z 199-2005《钛合金锻造工艺》中规定为“在β转变温度(Tβ)以下10℃~20℃加热后的进行锻造”,锻造温度区间较窄,不宜温度的控制,另一方面,近β锻造的加热温度接近Tβ,若采用大变形单火次加载会导致温升效应而超过Tβ,最终无法获得三态组织钛合金;若采用多火次加载,锻件在高温状态下反复加热其晶粒会发生异常长大的现象。而现有的研究表明,钛合金在α+β两相区常规多火次锻后,组织粗化不明显。西北工业大学在公开号为CN 102212745A的发明专利中表明在局部加载成形过程中,预制坯加热温度为Tβ-(20~10℃),即近β锻造的变形温度区间,因此,近β锻造的可能出现的问题仍未解决。而哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中要求“初始组织为等轴α和β转变组织构成的双态组织”,而本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求,因此,本发明适用多种组织类型的近α钛合金。针对现有获得三态组织方法的不足之处,本发明提出了对近α钛合金经α+β两相区常规锻造后,再通过合理的热处理工艺获得三态组织的方法。
发明内容
为克服现有技术中存在的锻造温度区间接近β相转变温度Tβ,高温多火次加载晶粒易粗化,以及对初始组织为双态组织的限制的不足,本发明提出了一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法。
本发明的具体工艺步骤为:
步骤一,α+β两相区锻造;
将电阻炉加热至低于β转变点30~50℃;将钛合金的坯料放入电阻炉中;电阻炉升温至低于β转变点30~50℃开始保温;保温时间为25~120min;将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃;坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件;根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的为锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同;
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温,得到钛合金锻件;
步骤二,第一次热处理;将电阻炉加热至低于钛合金β转变点10~20℃;将得到的钛合金锻件放入电阻炉中,将电阻炉升温至低于钛合金β转变点10~20℃后开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理;将电阻炉加热至低于钛合金β转变点50~60℃;将组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中,将电阻炉升温至低于钛合金β转变点50~60℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;保温时间为140min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
本发明将近α坯料在α+β两相区锻造,改善钛合金的初始组织,得到含有等轴α的等轴或双态组织,为后续的热处理工艺提供了组织形态上的准备,因此,本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求,适用多种初始组织类型的钛合金。同时,本发明中α+β两相区锻造温度区间比近β锻造范围更宽,加热温度更低,避开了近β锻造温度区间较窄,接近β相转变温度Tβ,高温多火次加载晶粒易粗化等问题。在后续热处理过程中,通过不同的热处理温度与冷却方式的组合,控制等轴α的含量,β转变基体上条状α的析出,最终得到三态组织钛合金。综上所述,针对现有钛合金获得三态组织方法的不足之处,本发明提出近α钛合金在α+β两相区锻造后,通过热处理获得三态组织的方法,为钛合金锻件获得三态组织提供了一种有效的工艺路径。
附图说明
图1是近α钛合金锻造和热处理方法流程图。
图2是实施例一中近α钛合金的初始组织图。
图3是实施例一最后获得的三态组织图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺,所用近α坯料的β相转变温度为990℃,初始组织如图2所示。具体实施步骤为:
步骤一,α+β两相区锻造。
将电阻炉温度加热至钛合金的α+β两相区温度,即低于β转变点30~50℃的温度范围,本实施例中,电阻炉温度为940℃,低于钛合金β转变温度50℃。当电阻炉的温度到达940℃后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至940℃开始保温;保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准;本实施例中保温时间为40min。同时,将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃的温度范围,本实施例模具加热到930℃,低于钛合金β转变点60℃。
坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的为锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中,坯料的锻比为30%,采用单火次完成变形。
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;本实施例压下速度为0.4mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温;本实施例采用空冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。
步骤二,第一次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10~20℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为975℃,低于钛合金β转变温度15℃。当电阻炉的温度到达975℃后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;本实施例两相区锻造前保温时间为40min,增加60min,即保温时间为100min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50~60℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为935℃,低于钛合金β转变温度55℃。当电阻炉的温度到达935℃后将经过步骤二得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至935℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;本实施例两相区锻造前保温时间为40min,增加70min,保温时间为110min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
本实施例中,经过步骤一能够使得坯料变成锻件,原始组织中如果存在片状α相,片状α相就会发生扭曲,部分被破碎,发生一定程度球化,并且组织中储存大量的畸变能,为后续热处理中α相继续球化提供动力;在步骤二的第一次热处理中α相完全球化,并且冷却后等轴初生α相的含量在20%左右。后续的热处理使得钛合金锻件组织中形成一定含量的条片状α相和β转变组织。由此,通过以上热变形及热处理手段就可以获得由等轴α、条状α以及β转变基体组成的三态组织近α钛合金锻件。
实施例二
本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺,所用近α坯料的β相转变温度为990℃。具体实施步骤为:
步骤一,α+β两相区锻造。
将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度,即低于β转变点30~50℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为950℃,低于钛合金β转变温度40℃。当电阻炉的温度到达950℃后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至950℃开始保温;保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准;本实施例中保温时间为30min。同时,将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃的温度范围,本实施例模具加热到940℃,低于钛合金β转变点50℃。
坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的为锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中,坯料的锻比为80%,采用两火次加载完成变形,并且每火次完成该坯料40%的锻比。
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;本实施例压下速度为0.3mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温;本实施例采用水冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。
步骤二,第一次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10~20℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为980℃,低于钛合金β转变温度10℃。当电阻炉的温度到达980℃后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;本实施例两相区锻造前保温时间为30min,增加60min,即保温时间为90min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50~60℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为940℃,低于钛合金β转变温度50℃。当电阻炉的温度到达940℃后将经过步骤二得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;本实施例两相区锻造前保温时间为30min,增加90min,保温时间为120min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
实施例三
本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺,所用近α坯料的β相转变温度为1000℃。具体实施步骤为:
步骤一,α+β两相区锻造。
将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度,即低于β转变点30~50℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为970℃,低于钛合金β转变温度30℃。当电阻炉的温度到达970℃后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至970℃开始保温;保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准;本实施例中保温时间为25min。同时,将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃的温度范围,本实施例模具加热到960℃,低于钛合金β转变点40℃。坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的为锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中,坯料的锻比为85%,采用两火次加载完成变形,并且每火次完成该坯料42.5%的锻比。
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;本实施例压下速度为0.2mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温;本实施例采用空冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。
步骤二,第一次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10~20℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为980℃,低于钛合金β转变温度20℃。当电阻炉的温度到达980℃后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;本实施例两相区锻造前保温时间为25min,增加60min,即保温时间为85min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50~60℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为940℃,低于钛合金β转变温度60℃。当电阻炉的温度到达940℃后将经过步骤二得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;本实施例两相区锻造前保温时间为25min,增加60min,保温时间为85min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
实施例四
本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺,所用近α坯料的β相转变温度为1000℃。具体实施步骤为:
步骤一,α+β两相区锻造。
将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度,即低于β转变点30~50℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为955℃,低于钛合金β转变温度45℃。当电阻炉的温度到达955℃后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至955℃开始保温;保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准;本实施例中保温时间为120min。同时,将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃的温度范围,本实施例模具加热到945℃,低于钛合金β转变点55℃。
坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的为锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中,坯料的锻比为55%,采用单火次加载完成变形。
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;本实施例压下速度为0.3mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温;本实施例采用水冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件;
步骤二,第一次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10~20℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为980℃,低于钛合金β转变温度20℃。当电阻炉的温度到达980℃后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;本实施例两相区锻造前保温时间为120min,增加60min,即保温时间为180min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理。
将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50~60℃的温度范围,本实施例中,设定电阻炉温度为940℃,低于钛合金β转变温度60℃。当电阻炉的温度到达940℃后将经过步骤二得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;本实施例两相区锻造前保温时间为120min,增加80min,保温时间为200min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
Claims (1)
1.一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法,其特征在于,具体过程包括以下步骤:
步骤一,α+β两相区锻造;
将电阻炉加热至低于β转变点30~50℃;将钛合金的坯料放入电阻炉中;电阻炉升温至低于β转变点30~50℃开始保温;保温时间为25~120min;将模具加热至低于钛合金β转变点40~60℃;坯料保温结束后,将坯料置于模具中,通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件;根据该坯料的锻比确定锻造火次:若该坯料的锻比≤70%,则单火次加载完成变形;若该坯料的锻比>70%,则两火次加载完成变形,且两火次中该坯料的锻比相同;
所述变形压下速度为0.2~0.4mm/s;变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温,得到钛合金锻件;
步骤二,第一次热处理;将电阻炉加热至低于钛合金β转变点10~20℃;将得到的钛合金锻件放入电阻炉中,将电阻炉升温至低于钛合金β转变点10~20℃后开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min;保温结束后在10s内将锻件浸没水中,通过水冷方式将该锻件冷却至室温,使钛合金锻件组织成为α等轴+马氏体;
步骤三,第二次热处理;将电阻炉加热至低于钛合金β转变点50~60℃;将组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中,将电阻炉升温至低于钛合金β转变点50~60℃开始保温;保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60~90min;保温时间为140min;保温结束后取出锻件空冷至室温,使锻件组织改变为α等轴+α条片+β转,即获得了三态组织。
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Granted publication date: 20131204 Termination date: 20170802 |