CN102758161B - 一种在钛合金中获得三态组织的方法 - Google Patents

Abstract

一种在钛合金中获得三态组织的方法，通过近β温度热处理，使试样组织改变为α_等轴+马氏体；通过两相区温度固溶，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体；通过退火得到具有三态组织的钛合金。本发明无需近β热变形，不产生变形温升效应，易于控制温度，对钛合金的初始等轴组织无需进行专门的预处理变成双态组织。本发明简便易行且使用范围广泛，可应用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造的钛合金零件的热处理，以至获得三态组织。特别是对于钛合金复杂构件、局部复杂构件或大型构件，在机加得到构件的近净形态后，通过本发明获得三态组织。

Description

一种在钛合金中获得三态组织的方法

技术领域

本发明涉及钛合金热加工技术领域，具体是一种在等轴组织钛合金中获得三态组织的热处理方法。

背景技术

钛合金具有优异的综合性能在航空、航天、船舶、生物医学等领域得到了高度重视和广泛应用。尤其在航空航天中作为关键的承力结构件，既要求好的塑性和热稳定性，又要求好的强度、高温性能（持久、蠕变）、断裂韧性、疲劳性能、抗裂纹扩展能力。钛合金微观组织决定力学性能，从而决定了其服役性能。钛合金通常通过成形和热处理获得等轴组织、双态组织、魏氏组织和网篮组织。这四种组织在塑性、热稳定性、高温性能、抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧性上各有优缺点，各性能的合理匹配始终没有很好解决。周义刚等人在《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》中提出了由20%等轴α、50%～60%条状α和β转变基体组成的三态组织。三态组织综合了上述四种组织的优点，不仅具有好的塑性，同时具有高的热强性和断裂韧性，综合性能优于其它类型的组织。因此，获得具有三态组织的钛合金零（构）件常常是生产中追求的目标。

而获得三态组织的近β锻造技术需要在β转变点以下10～20℃进行锻造，锻造时由于金属激烈流动，存在变形热而导致温升效应，同时流动不均匀导致锻件不同位置的温升程度不同，会导致锻件局部过热，若要避免局部过热就会使锻造更加复杂。因此，该技术存在锻造温度区间较窄，不易于温度控制的问题。哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN101717904的发明专利中提出了一种通过两个步骤获得三态组织的方法：第一步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℃的温度范围内保温一定时间后水冷，第二步加热到低于β转变点40～60℃的温度范围内保温一定时间后空冷，获得三态组织。该专利中要求初始组织为双态组织，但是用于成形钛合金零件的原始棒材、板材或锻坯一般为等轴组织，为了获得双态组织还需要对等轴组织进行专门的预处理。西北工业大学在公开号为CN102212745A的发明专利申请中提出了一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法。该方法中，钛合金经过局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控制局部加载成形的参数获得三态组织。但在该发明中，仍然需要经过低于β转变点10～20℃的近β锻造，而近β锻造会因为不均匀变形产生热效应，使得锻件局部温度过高，或者使得锻造的控制更加复杂。

发明内容

为克服现有技术中存在的不均匀变形热效应使得锻件局部温度过高，或者使得锻造的控制更加复杂的不足，本发明提出了一种在钛合金中获得三态组织的方法。

本发明的具体步骤为：

本发明的具体步骤为：

步骤一，近β温度热处理：

将电阻炉加热至低于β转变点10～20℃；将试样放入电阻炉中；电阻炉升温至低于β转变点10～20℃开始保温；钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min；保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体；

步骤二，两相区温度固溶：

设定电阻炉温度为低于β转变点40～50℃；将得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中；当电阻炉升温至低于β转变点40～50℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min；保温结束后，在0.2min内将使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体；

步骤三，退火：

将电阻炉的温度加热至700～850℃；将得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中；当电阻炉的温度达到700～850℃时开始保温；保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min；保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金。

本发明通过步骤一能够在钛合金组织中保留10%～20%的等轴初生α相，余下的为马氏体。通过步骤二使得在步骤一中得到的等轴初生α相基本保持原来的含量与形态，而在步骤一中得到的马氏体分解为针片状的α+β组织，并且一部分α针片进一步粗化为具有一定厚度的条片状α，这时条片状周围是β相。β相在随后的冷却中再次生成马氏体。通过步骤三使得在步骤二中得到的α相基本保持原来的含量与形态，而在步骤二中得到的马氏体继续分解为细针片状的α+β组织，空冷到室温后形成由等轴α、条片状α和β_转组成的三态组织钛合金。本发明无需近β热变形，不产生变形温升效应，易于控制温度，对钛合金的初始等轴组织无需进行专门的预处理变成双态组织；本发明的热处理方法简便易行且使用范围广泛，本发明可应用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造的钛合金零件的热处理，以至获得三态组织。特别是对于钛合金复杂构件、局部复杂构件或大型构件，就可以先用机械加工的方式加工出构件的近净形态，接着使用本发明的热处理方法获得三态组织。另外，根据需要可以在获得三态组织后对钛合金进行550～650℃温度范围内的时效处理。

附图说明

附图1是方法流程图，

附图2是β转变点为990℃的钛合金原始等轴组织图，

附图3是经过步骤一热处理后的钛合金组织图，

附图4是经过步骤三热处理后的钛合金三态组织图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TA15钛合金，试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ10*15mm；所述TA15钛合金为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。TA15钛合金的β转变点为990℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TA15钛合金的近β温度，即低于β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TA15钛合金β温度15℃。当电阻炉的温度到达975℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径是依据GJB3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为10mm，保温时间为40min。保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体。

步骤二，两相区温度固溶。

将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低于β转变点40～50℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为950℃，低于TA15钛合金β温度40℃。当电阻炉的温度到达950℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至950℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为40min，增加20min，保温时间为60min。保温结束后，在0.2min内使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体。

步骤三，退火。退火温度执行GJB3763A-2004表三中规定的温度，本实施例的退火温度为700℃。将电阻炉加热至700℃时，将经过步骤二得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到700℃时开始保温。保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤二中的保温时间为60min，增加60min，退火的保温时间为120min。保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。

本实施例中，通过步骤一能够在钛合金组织中保留15%左右的等轴初生α相，余下的为马氏体。通过步骤二使得在步骤一中得到的等轴初生α相基本保持原来的含量与形态，而在步骤一中得到的马氏体分解为针片状的α+β组织，并且一部分α针片进一步粗化为具有一定厚度的条片状α，这时条片状α周围是β相。β相在随后的冷却中再次生成马氏体。通过步骤三使得在步骤二中得到的α相基本保持原来的含量与形态，而在步骤二中得到的马氏体继续分解为细针片状的α+β组织，空冷到室温后形成由等轴α、条片状α和β_转组成的三态组织钛合金。

本实施例的热处理方法流程见图1，TA15钛合金原始微观组织见图2，经过步骤一的钛合金组织如图3所示，经过步骤三得到的钛合金的三态组织如图4所示。

实施例二

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TA15钛合金，试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ55*70mm；所述TA15钛合金为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。TA15钛合金的β转变点为990℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TA15钛合金的近β温度，即低于β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为970℃，低于TA15钛合金β温度20℃。当电阻炉的温度到达970℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至970℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z 199-2005上表格4的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z 199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径的依据GJB3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为55mm，保温时间为55min。保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为等轴α+马氏体组织。

步骤二，两相区温度固溶。将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低于β转变点40～50℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为940℃，低于TA15钛合金β温度50℃。当电阻炉到达940℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至940℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为55min，增加30min，保温时间为85min。保温结束后，在0.2min内将使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体。

步骤三，退火。退火温度执行GJB3763A-2004表三中规定的温度，本实施例的退火温度为850℃。当电阻炉的温度为850℃时，将经过步骤二得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到850℃时开始保温。保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤二中的保温时间为85min，增加30min，退火的保温时间为115min。保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。

实施例三

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TC4钛合金，试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ30*45mm；所述TC4钛合金为Ti-6Al-4V。TC4钛合金的β转变点为985℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TC4钛合金的近β温度，即低于β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TC4钛合金β温度10℃。当电阻炉的温度到达975℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z 199-2005上表格4的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z 199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径是依据GJB 3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为30mm，保温时间为45min。保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体。

步骤二，两相区温度固溶。将电阻炉加热至TC4钛合金的两相区温度，即低于β转变点40～50℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为945℃，低于TC4钛合金β温度40℃。当电阻炉到达945℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至945℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为45min，增加30min，保温时间为75min。保温结束后，在0.2min内将使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体。

步骤三，退火。退火温度执行GJB 3763A-2004表三中规定的温度，本实施例的退火温度为750℃。当电阻炉的温度为750℃时，将经过步骤二得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到750℃时开始保温。保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤二中的保温时间为75min，增加60min，退火的保温时间为135min。保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。

实施例四

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TC4钛合金，试样的外形为长方体，该试样的规格为168*168*300mm；所述TC4钛合金为Ti-6Al-4V。TC4钛合金的β转变点为995℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TC4钛合金的近β温度，即低于β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TC4钛合金β温度20℃。当电阻炉的温度到达975℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z 199-2005上表格4的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径是依据GJB3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为210mm，保温时间为126min。保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体。

步骤二，两相区温度固溶。将电阻炉加热至TC4钛合金的两相区温度，即低于β转变点40～50℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为950℃，低于TC4钛合金β温度45℃。当电阻炉到达950℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至950℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为126min，增加60min，保温时间为186min。保温结束后，在0.2min内将使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体。

步骤三，退火。退火温度执行GJB3763A-2004表三中规定的温度，本实施例的退火温度为850℃。当电阻炉的温度为850℃时，将经过步骤二得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉的温度达到850℃时开始保温。保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤二中的保温时间为186min，增加45min，退火的保温时间为231min。保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。

Claims (1)

1.一种在钛合金中获得三态组织的方法,其特征在于，具体步骤为：

步骤一，近β温度热处理：

将电阻炉加热至低于β转变点10～20℃；将试样放入电阻炉中；电阻炉升温至低于β转变点10～20℃开始保温；钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min；保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体；

步骤二，两相区温度固溶：

设定电阻炉温度为低于β转变点40～50℃；将得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中；当电阻炉升温至低于β转变点40～50℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min；保温结束后，在0.2min内将使试样浸没水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+α_条片+马氏体；

步骤三，退火：

将电阻炉的温度加热至700～850℃；将得到的组织为α_等轴+α_条片+马氏体的钛合金试样放入电阻炉中；当电阻炉的温度达到700～850℃时开始保温；保温时间在步骤二保温时间的基础上增加30～60min；保温结束后取出钛合金试样空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金。

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