CN102851627A - 一种新型钛合金分区β热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于精确控制的新型钛合金分区β热处理工艺。经过α+β区锻造的α型和α-β型钛合金首先在T_β-(20℃~40℃)预热，保温时间t(min)=η×δ_max，δ_max为锻件的最大截面厚度，加热系数η的取值为0.5~0.8；然后随炉升温至(T_β-5℃)~(T_β+5℃)，保温时间t(min)同上述计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.6；然后再次随炉升温至（T_β+5℃)~(T_β+30℃)，保温时间t(min)同上述计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.5；随后出炉空冷或以一定的冷却速率冷却；该工艺适用于大型、复杂、变截面α型和α-β型钛合金锻件热处理，以获得所需的高塑性、高韧性和低疲劳裂纹扩展能力的高综合性能片状组织，满足飞机和航空发动机制造所需的组织性能要求均匀的大型复杂变截面锻件或零件。

Description

一种新型钛合金分区β热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种基于精确控制的钛合金分区β热处理工艺。

背景技术

随着国内外大型飞机逐步采用先进的耐久性/损伤容限设计原则，要求钛合金锻件具有良好的强度与塑性匹配外，更需要具有高的断裂韧度（K_IC）和低的疲劳裂纹扩展速率(da/dN)。与其它类型钛合金显微组织（网篮组织、双态组织、等轴组织）相比，片层组织由于α相呈一定宽度的集束片状分布，使裂纹扩展形成曲折路径，因此可获得很高的K_IC值和较低的da/dN。但片层组织的缺点是β晶粒的晶界为连续平直的α相，使合金的塑性显著降低。因此通过控制β热处理工艺来提高片层组织的塑性一直是国内外研究的难点。

按照过去的做法或标准要求，可以通过普通β热处理工艺获得片层组织，普通β热处理的加热温度高于(T_β+17℃)~(T_β+65℃)，加热系数η（加热时间t(min)与锻件最大截面厚度δ_max(mm)的比值）大于0.7。经普通β热处理工艺，由于加热温度高和加热时间长，导致β晶粒长大剧烈，产生粗大β晶粒，并在晶界处形成连续平直α相，使片状组织塑性降低。目前，为了改善片层组织的塑性，一般采用准β热处理工艺，该工艺要求首先在T_β-(20~40)℃预热，加热系数η为0.5~0.8，然后快速随炉升温至(T_β-10℃)~(T_β+40℃)，加热系数η为0.1~0.5。

随着我国锻造压力机设备吨位的增加，例如，今年我国已经装备到位最大吨位达到了8万吨模锻压力机，使飞机或发动机等构件大型整体化或结构设计复杂化得以实现，单件重量达到了1000kg以上或更重。由于一般大型锻件的截面变化越来越复杂（锻件最大厚度达280mm、最小截面厚度100mm、长度达5.6m），采用普通β热处理工艺难以使整个锻件的片层组织均匀化，导致不同厚度截面的性能不均匀。为了更好的保证大型复杂变截面锻件的组织均匀性和批次稳定要求，急需提出一种能精确控制的钛合金分区β热处理工艺。

发明内容

本发明的目的是提出一种解决大型复杂变截面钛合金锻件的显微组织均匀性和批次间稳定性的钛合金分区β热处理工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

（1）将钛合金锻件放在到达预热温度后的电阻炉有效工作区内中预热，预热温度T为β相变点T_β以下20℃~40℃，即T_β-40℃≤T≤T_β-20℃，炉子再次到达设定的预热温度后，计算保温时间，保温时间t(min)＝η×δ_max，δ_max为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，预热加热系数η的取值为0.5~0.8；

（2）将按步骤（1）预热保温后的锻件，随炉升温至T_β-5℃≤T≤T_β+5℃，炉子到达设定的温度后，开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.6；

（3）将按步骤（2）保温后的锻件再随炉升温至β相变点T_β以上5℃~30℃，即T_β+5℃＜T≤T_β+30℃，炉子到达设定温度后开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.5；

（4）将按上述步骤保温后的锻件出炉空冷、水冷或风冷，冷却至室温。

所述的电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±5℃。

本发明具有的优点和有益效果：

（1）(T_β-5℃)~(T_β+5℃)精确控制的分区热处理，可以实现精确控制初生α相含量，使初生α相能实现消失或稳定溶解，保证了大厚截面的组织均匀性，为后续的片层α相进一步实现可控长大提供了条件。

（2）缩短了后续β区保温时间，一方面提高了大厚度锻件心部和边缘的组织均匀性，也最大程度缩小了厚截面与薄截面的组织均匀性差异。

（3）在保证锻件加热热透的同时，又控制了β晶粒尺寸，使获得的片层组织塑性高、疲劳性能好，并且具有较高的断裂韧度和较低的疲劳裂纹扩展速率，从而具有更好的综合性能，可以制造大型复杂变截面钛合金结构件等半成品及零件。

该基于精确控制的钛合金分区β热处理工艺，特别适合用于α型和α-β型钛合金，经过α+β区锻造或成型的具有等轴或双态组织类型的大型复杂变截面锻件的β热处理。

附图说明

图1是本发明实施例1的自由锻件的不同部位显微组织图，其中，(a)590mm（T）×260mm(ST)截面厚度边缘处500×；(b)590mm（T）×260mm(ST)截面1/2厚度处500×；(c)315mm(T)×100mm(ST)截面厚度边缘处500×；(d)315mm(T)×100mm(ST)截面1/2厚度处500×。

图2是本发明实施例2的自由锻件的不同部位显微组织图，其中，(a)487mm（T）×217mm(ST)截面厚度边缘处100×；(b)487mm（T）×217mm(ST)截面1/2厚度处100×；(c)1160mm(T)×113mm(ST)截面厚度边缘处100×；(d)1160mm(T)×113mm(ST)截面1/2厚度处100×。

图3是本发明实施例3的自由锻件的不同部位显微组织图，其中，(a)500mm（T）×130mm(ST)截面厚度边缘处100×；（b）500mm（T）×130mm(ST)截面1/2厚度处100×；(c)300mm(T)×130mm(ST)截面厚度边缘处100×；(d)300mm(T)×130mm(ST)截面1/2厚度处100×。

具体实施方式

工艺包括以下步骤：

（1）将钛合金锻件放在到达预热温度后的电阻炉有效工作区内中预热，预热温度T为β相变点T_β以下20℃~40℃，即T_β-40℃≤T≤T_β-20℃，炉子再次到达设定的预热温度后，计算保温时间，保温时间t(min)=η×δ_max，δ_max为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，预热加热系数η的取值为0.5~0.8。根据截面最大厚度确定预热温度，当锻件最大厚度小于100mm，预热温度为T_β-40℃≤T＜T_β-30℃；当锻件最大厚度大于等于100mm，预热温度为T_β-30℃≤T≤T_β-20℃。根据锻件厚度差值确定预热加热系数，当锻件厚度差小于等于50mm，预热加热系数η的取值为0.5；当锻件厚度差大于50mm，小于等于100mm时，预热加热系数η的取值为0.6；当锻件厚度差大于100mm，小于等于150mm时，预热加热系数η的取值为0.7；当锻件厚度差大于150mm时，预热加热系数η的取值为0.8。

（2）将按步骤（1）预热保温后的锻件，随炉升温至T_β-5℃≤T≤T_β+5℃，炉子到达设定的温度后，开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.6。根据截面最大厚度确定加热温度，当锻件最大厚度小于100mm，加热温度为T_β-5℃≤T＜T_β；当锻件最大厚度大于等于100mm，加热温度为T_β≤T≤T_β+5℃。根据锻件厚度差值确定预热加热系数，当锻件厚度差小于等于50mm，预热加热系数η的取值为0.2；当锻件厚度差大于50mm，小于等于100mm时，预热加热系数η的取值为0.3；当锻件厚度差大于100mm，小于等于150mm时，预热加热系数η的取值为0.4；当锻件厚度差大于150mm，小于等于200mm时，预热加热系数η的取值为0.5；当锻件厚度差大于200mm时，预热加热系数η的取值为0.6。

（3）将按步骤（2）保温后的锻件再随炉升温至β相变点T_β以上5℃~30℃，即T_β+5℃<T≤T_β+30℃，炉子到达设定温度后开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.5。根据截面最大厚度确定加热温度，当锻件最大厚度小于100mm，加热温度为T_β+5℃＜T＜T_β+15℃；当锻件最大厚度大于等于100mm，加热温度为T_β+15≤T≤T_β+30℃。根据锻件厚度差值确定预热加热系数，当锻件厚度差小于等于50mm，预热加热系数η的取值为0.2；当锻件厚度差大于50mm，小于等于100mm时，预热加热系数η的取值为0.3；当锻件厚度差大于100mm，小于等于150mm时，预热加热系数η的取值为0.4；当锻件厚度差大于150mm时，预热加热系数η的取值为0.5。

（4）将按上述步骤保温后的锻件出炉空冷、水冷或风冷，冷却至室温。

实施例1：

TC4-DT钛合金经过α+β区锻造后的大型复杂变截面自由锻件（外廓最大尺寸为2400（L）mm×590mm(T)×260mm(ST)，最大厚度260mm，最小厚度100mm，单件重量达800kg），采用上述分区β热处理工艺后，然后在730℃保温4h出炉空冷，经理化解剖分析结果表明，锻件不同部位的显微组织均匀性良好（图1），力学性能均匀性良好（表2和表3），且强度-塑性-韧性匹配较好。

表1自由锻件的不同部位拉伸性能

表2自由锻件的不同部位断裂韧性

实施例2：

TC4-DT钛合金经过α+β区锻造后的大型复杂变截面模锻件（外廓最大尺寸为1720mm×1120mm×217mm，最大厚度217mm，最小厚度113mm，单件重量近500Kg），采用上述分区β热处理工艺后，然后在730℃保温4h出炉空冷后的显微组织如图2所示，可以看出，组织为片层组织，并且均匀性良好。力学性能如表3和表4所示，经过分区β热处理后可以得到良好的强度-塑性-韧性匹配和低的da/dN值。

表3模锻件的不同部位拉伸性能

表4模锻件的不同部位断裂韧性和裂纹扩展速率

实施例3：

TC4-DT钛合金经过α+β区锻造后的大型复杂变截面模锻件（外廓最大尺寸为1900mm×1375mm×160mm，最大厚度160mm，最小厚度130mm，单件重量近500Kg），采用上述分区β热处理工艺后，然后在730℃保温4h出炉空冷后的显微组织如图3所示，可以看出，组织为均匀的片层组织。力学性能如表5和表6所示，从表中可以看出，拉伸性能和断裂韧性高于标准要求，获得了良好的强度-塑性-断裂韧性匹配。

表5模锻件的不同部位拉伸性能

表6模锻件的断裂韧性

Claims (2)

1.一种新型钛合金分区β热处理工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将钛合金锻件放在到达预热温度后的电阻炉有效工作区内中预热，预热温度T为β相变点T_β以下20℃~40℃，即T_β-40℃≤T≤T_β-20℃，炉子再次到达设定的预热温度后，计算保温时间，保温时间t(min)=η×δ_max，δ_max为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，预热加热系数η的取值为0.5~0.8；

（2）将按步骤（1）预热保温后的锻件，随炉升温至T_β-5℃≤T≤T_β+5℃，炉子到达设定的温度后，开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.6；

（3）将按步骤（2）保温后的锻件再随炉升温至β相变点T_β以上5℃~30℃，即T_β+5℃＜T≤T_β+30℃，炉子到达设定温度后开始计算保温时间，保温时间t(min)同上述步骤（1）计算公式，加热系数η的取值为0.2~0.5；

（4）将按上述步骤保温后的锻件出炉空冷、水冷或风冷，冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种新型钛合金分区β热处理工艺，其特征在于：所述电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±5℃。

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