CN103305781B - 多元微合金化钛合金加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料科学和工程领域的多元微合金化钛合金加工方法，通过将钛合金铸锭在β区间锻造开坯，然后在α+β两相区间进行锻造；再将材料设置于再结晶温度与β转变温度之间的环境下进行热处理及机械加工，最后在α+β两相区间进行等温锻造成型。本发明适合大规模工业化生产，尤其适合大批量加工零件和材料，等温锻造过程中变形均匀，加工的零件或材料，晶粒尺寸均匀，β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，具有良好的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种材料科学和工程领域的钛合金加工方法，具体是一种包含微量TiB和TiC的多元微合金化钛合金的加工方法。
背景技术
多元微合金化钛合金的热加工过程中，会产生大量的位错，诱发溶质原子偏聚，偏聚的溶质原子对位错运动的钉扎作用，会严重阻碍再结晶的进行，造成热加工后的组织极不均匀。本发明涉及的多元微合金化钛合金加工方法，是将熔铸法制备出的钛合金铸锭进行热加工、热处理后，再次进行等温锻造加工。热处理温度在再结晶温度与β转变温度之间，等温锻造加工的温度在α+β两相区间。热处理后，钛合金组织缺陷大幅减少，再结晶程度高，β晶粒被大幅细化且尺寸趋于均匀，α相具有非共格界面，α相球化成为变化趋势，部分α晶粒发生了球化，不过仍有一部分α晶粒由于溶质原子偏聚，导致晶界迁移的各向异性，从而表现得形貌各异。等温锻造过程中，由于初始组织再结晶程度高，组织缺陷大幅降低，TiB和TiC得以通过增加应力扩散驱动力，以及促进更多的变形能转化为热能，加速了扩散，从而大幅降低了溶质原子对位错运动的钉扎作用。同时，TiB和TiC对β晶界迁移的钉扎作用，抑制了β晶粒的长大，α相球化成为降低总的界面能最有效的渠道，α相全部实现了球化，且尺寸趋于均匀。由于β晶粒的细化，更多的β晶粒来分担载荷，加上TiB短纤维的承载作用，使得每个β晶粒分担的载荷趋于均匀，大幅提高了变形均匀性。
经过对现有技术的检索发现，李见主编的《材料科学基础》，北京：冶金工业出版社，2000，p135-141，指出变形过程中，第二相质点会造成位错增殖，在距离位错较近处的溶质原子浓度高，对位错运动产生钉扎作用。多元微合金化钛合金中，TiB和TiC质量分数低，造成位错增殖的附加外力相对较小，同时由于溶质元素较多，溶质原子的原子半径以及电负性和钛原子存在差异，所以热加工过程中，TiB和TiC容易造成位错增殖，并引起溶质原子偏聚，阻碍再结晶的进行，并由此对α相的球化有阻碍作用，本发明采用熔铸法制备、以及锻造开坯、加工可以有效提高生产效率，适应工业化生产，但是传统加工方法对多元微合金化钛合金并不适合，需要在等温锻造前，通过热处理大幅降低组织缺陷，提高再结晶程度，从而在等温锻造过程中，充分发挥TiB和TiC促进α相球化的作用，实现α晶粒全部球化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多元微合金化钛合金加工方法，在不改变传统钛合金加工设备的情况下，可以低成本、高效率、大批量地加工零件和材料，等温锻造过程中变形均匀，加工的零件或材料，组织均匀，不仅β相得到细化，而且α相全部实现了球化，加工后的零件和材料具有良好的综合力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将钛合金铸锭在β区间锻造开坯，然后在α+β两相区间进行锻造；再将材料设置于再结晶温度与β转变温度之间的环境下进行热处理及机械加工，最后在α+β两相区间进行等温锻造成型。
所述的钛合金为包含TiB和TiC的多元微合金化钛合金，通过真空自耗电弧炉熔炼制备得到。
所述的TiB和TiC的摩尔比为1:1～4:1，重量百分比为0.5～2%。
所述的钛合金组分和重量百分比为：Al：4.4%-5.7%，Mo:4.0%-5.5%，V：4.0%-5.5%，Cr：0.5%-1.5%，Fe：0.5%-1.5%，B4C：0.05%-0.42%，C：0.03%-0.05%，余量为Ti元素。
所述的热处理的温度范围为再结晶温度与β转变温度之间。
所述的锻造的温度为相变点以下20-50℃。
所述的机械加工用于去除氧化皮以及缩孔、夹渣。
所述的等温锻造成型应变速率在1×10-3/s～1×10-2/s之间。
技术效果
本发明适合大规模工业化生产，尤其适合大批量加工零件和材料，等温锻造过程中变形均匀，加工的零件或材料，晶粒尺寸均匀，其中β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，加工后的零件和材料具有良好的综合力学性能。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例基于TiB和TiC重量百分比为0.5%的多元微合金化钛合金的加工，TiB和TiC的摩尔比为4:1。
步骤1：利用真空自耗电弧炉熔炼制备出多元微合金化钛合金铸锭，TiB和TiC重量百分比为0.5%，TiB和TiC的摩尔比为4:1；
步骤2：在β区间（1150℃）锻造开坯；
步骤3：在α+β两相区间（840℃）进行锻造；
步骤4：将材料进行再结晶退火热处理，热处理温度为830℃，热处理后利用机械加工去除氧化皮以及缩孔、夹渣等缺陷；
步骤5：在830℃等温锻造材料，应变速率为1×10-3/s。
本实施例等温锻造过程中变形均匀，加工的材料，晶粒尺寸均匀，β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，加工后的材料具有良好的综合力学性能。
实施例2
本实施例基于TiB和TiC重量百分比为1%的多元微合金化钛合金的加工，TiB和TiC的摩尔比为4:1。
步骤1：利用真空自耗电弧炉熔炼制备出多元微合金化钛合金铸锭，TiB和TiC重量百分比为1%，TiB和TiC的摩尔比为4:1；
步骤2：在β区间（1150℃）锻造开坯，
步骤3：在α+β两相区间（830℃）进行锻造；
步骤4：将材料进行再结晶退火热处理，热处理温度为840℃，热处理后利用机械加工去除氧化皮以及缩孔、夹渣等缺陷；
步骤5：然后在840℃等温锻造材料，应变速率在2×10-2/s。
本实施例等温锻造过程中变形均匀，加工的材料，晶粒尺寸均匀，β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，加工后的材料具有良好的综合力学性能。
实施例3
本实施例基于TiB和TiC重量百分比为2%的多元微合金化钛合金的加工，TiB和TiC的摩尔比为4:1。
步骤1：利用真空自耗电弧炉熔炼制备出多元微合金化钛合金铸锭，TiB和TiC重量百分比为2%，TiB和TiC的摩尔比为4:1；
步骤2：在β区间（1140℃）锻造开坯，
步骤3：在α+β两相区间（830℃）进行锻造；
步骤4：将材料进行再结晶退火热处理，热处理温度为840℃，热处理后利用机械加工去除氧化皮以及缩孔、夹渣等缺陷；
步骤5：在840℃等温锻造材料，应变速率在1×10-3/s。
本实施例等温锻造过程中变形均匀，加工的材料，晶粒尺寸均匀，β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，加工后的材料具有良好的综合力学性能。
实施例4
本实施例基于TiB和TiC重量百分比为0.5%的多元微合金化钛合金的加工，TiB和TiC的摩尔比为1:1。
步骤1：利用真空自耗电弧炉熔炼制备出多元微合金化钛合金铸锭，TiB和TiC重量百分比为0.5%，TiB和TiC的摩尔比为1:1；
步骤2：在β区间（1150℃）锻造开坯，
步骤3：在α+β两相区间（840℃）进行锻造；
步骤4：将材料进行再结晶退火热处理，热处理温度为830℃，热处理后利用机械加工去除氧化皮以及缩孔、夹渣等缺陷；
步骤5：在840℃等温锻造材料，应变速率在1×10-2/s。
本实施例等温锻造过程中变形均匀，加工的材料，晶粒尺寸均匀，β相得到大幅细化，而α相全部实现了球化，加工后的材料具有良好的综合力学性能。
Claims (3)
1.一种多元微合金化钛合金加工方法，通过将钛合金铸锭在β区间锻造开坯，然后在α+β两相区间进行锻造；再将材料设置于再结晶温度与β转变温度之间的环境下进行热处理及机械加工，最后在α+β两相区间进行等温锻造成型；
所述的钛合金为包含TiB和TiC的多元微合金化钛合金；
所述的TiB和TiC的摩尔比为1:1~4:1，重量百分比为0.5~2%；
所述的钛合金组分和重量百分比为：Al：4.4%-5.7%，Mo:4.0%-5.5%，V：4.0%-5.5%，Cr：0.5%-1.5%，Fe：0.5%-1.5%，B4C：0.05%-0.42%，C：0.03%-0.05%，余量为Ti元素。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的热处理的温度范围为再结晶温度与β转变温度之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的应变速率在1×10-3/s～1×10-2/s之间。
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