CN102758159B - 通过锻造和热处理获得钛合金三态组织的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过锻造和热处理获得钛合金三态组织的方法，将坯料在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。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。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，在钛合金α+β两相区通过三重热处理，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，具体是一种钛合金α+β两相区锻造和三重热处理获得三态组织的方法。
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。钛合金锻件经过热塑性变形改善了金属的组织和性能。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。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。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CN101717904的发明专利中、西北工业大学在公开号为CN102212745A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/Z199-2005《钛合金锻造工艺》中定义为“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，变形温升效应使得温度不宜控制，另一方面，近β锻造的加热温度接近相变温度Tβ，若采用大变形单火次加载会导致温升效应而超过Tβ，使得α相全部转变为β相，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。因此，近β锻造方法可能出现上述问题。而西北工业大学在公开号为CN102212745A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，并未避开近β锻造的上述问题。研究表明，钛合金在α+β两相区常规多火次锻造，组织粗化不明显，本发明钛合金在α+β两相区采用常规锻造，避免了近β锻造上述问题的出现。哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN101717904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；另外，对于需要变形的钛合金锻件，该专利的方法也不适用。
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，本发明提出了一种通过锻造和热处理获得钛合金三态组织的方法。
本发明包括以下步骤：
步骤一，α+β两相区锻造；
将电阻炉温度加热至低于钛合金的β转变点30～50℃；将坯料放入电阻炉中并保温；保温时间为15～120min；将模具加热至低于钛合金β转变点40～60℃；坯料保温结束后，采用常规锻造方法加载变形，得到钛合金锻件；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；锻造中，压力机的压下速度为0.2～0.4mm/s；通过水冷或空冷方式将变形后钛合金冷却至室温；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并保温；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40～50℃；将得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入温度低于钛合金β转变点40～50℃电阻炉中并保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体；
步骤四，第三次热处理；
第三次热处理的温度为800～850℃；将得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入温度为800～850℃电阻炉中并保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金锻件。
本发明将坯料在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，本发明提出钛合金在α+β两相区锻造后，并通过三重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是钛合金锻造和热处理方法流程图。
图2是实施例一中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
本实施例是一种钛合金两相区锻造和三重热处理获得三态组织的方法，所用坯料的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940℃，低于钛合金β转变温度50℃。当电阻炉的温度到达940℃后将钛合金的坯料放入电阻炉中。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15min。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40%，采用单火次完成变形。
锻造中，压力机的压下速度为0.2～0.4mm/s；本实施例中压力机的压下速度为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。
设定电阻炉温度低于钛合金β转变点10～20℃，本实施例中，电阻炉温度为970℃，低于钛合金β转变温度20℃。当电阻炉的温度到达970℃后将得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至970℃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的保温时间为15min，增加60min，即保温时间为75min。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。
设定电阻炉温度低于钛合金β转变点40～50℃，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15min，增加75min，保温时间为90min。保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体。
步骤四，第三次热处理。
第三次热处理的温度为800～850℃，本实施例中，第三次热处理温度为850℃。电阻炉的温度为850℃时，将得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到850℃时开始保温。保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min；本实施例中两相区锻造前保温时间为15min，增加75min，保温时间为90min；保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金锻件。
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，并且组织中储存大量的畸变能，为后续α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钛合金锻件。
实施例二
本实施例是一种钛合金两相区锻造和三重热处理获得三态组织的方法，所用坯料的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60%，采用常规锻造方法单火次完成变形。
所述变形压下速度为0.2～0.4mm/s；本实施例压下速度为0.3mm/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40～50℃的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为945℃，低于钛合金β转变温度45℃。当电阻炉的温度到达945℃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945℃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60min，保温时间为90min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体。
步骤四，第三次热处理。第三次热处理温度为800～850℃，本实施例第三次热处理温度为820℃。电阻炉的温度为820℃时，将经过步骤三得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到820℃时开始保温。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；保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金锻件。
实施例三
本实施例是一种钛合金两相区锻造和三重热处理获得三态组织的方法，所用坯料的β相转变温度为980℃。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30℃。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940℃，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0.4mm/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970℃，低于钛合金β转变温度10℃。当电阻炉的温度到达970℃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970℃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40～50℃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40℃。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40min，增加90min，保温时间为130min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体。
步骤四，第三次热处理。第三次热处理温度为800～850℃，本实施例第三次热处理温度为800℃。电阻炉的温度为800℃时，将经过步骤三得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到800℃时开始保温。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60min，保温时间为100min；保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金锻件。
实施例四
本实施例是一种钛合金两相区锻造和三重热处理获得三态组织的方法，所用坯料的β相转变温度为980℃。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40℃。当电阻炉的温度到达940℃后将钛合金的坯料放入电阻炉中。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930℃，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75%，采用两火次加载完成变形，并且每火次完成该坯料37.5％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0.3mm/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965℃，低于钛合金β转变温度15℃。当电阻炉的温度到达965℃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965℃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40～50℃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45℃。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120min，增加90min，保温时间为210min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体。
步骤四，第三次热处理。第三次热处理温度为800～850℃，本实施例第三次热处理温度为850℃。电阻炉的温度为850℃时，将经过步骤三得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到850℃时开始保温。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75min，保温时间为195min；保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金锻件。
Claims (1)
1.一种通过锻造和热处理获得钛合金三态组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，α+β两相区锻造；
将电阻炉温度加热至低于钛合金的β转变点30～50℃；将坯料放入电阻炉中并保温；保温时间为15～120min；将模具加热至低于钛合金β转变点40～60℃；坯料保温结束后，采用常规锻造方法加载变形，得到钛合金锻件；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；锻造中，压力机的压下速度为0.2～0.4mm/s；通过水冷或空冷方式将变形后钛合金冷却至室温；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并保温；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40～50℃；将得到的组织为α等轴+马氏体的钛合金锻件放入温度低于钛合金β转变点40～50℃电阻炉中并保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷的方式将该锻件冷却至室温，使锻件组织改变为α等轴+α条片+马氏体；
步骤四，第三次热处理；
第三次热处理的温度为800～850℃；将得到的组织为α等轴+α条片+马氏体的钛合金锻件放入温度为800～850℃电阻炉中并保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min保温结束后取出钛合金锻件空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金锻件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |