CN103898428B - 近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法 - Google Patents

Abstract

一种近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法，将电阻炉加热到钛合金相变点以下50～60℃，将具有混合组织的近α钛合金试样放入电阻炉内进行高温退火处理保温，所述保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸；保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火；重复上述退火过程，使等轴α含量增加5%到20%；所述退火过程为2～5次。本发明通过重复退火，以克服近α钛合金片状α两相区变形球化技术中存在过程复杂、成本高的不足，且适用于已成形构件和近α钛合金混合组织中片状α球化的构件。

Description

近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法

技术领域

本发明涉及材料的热处理方法，具体是一种近α钛合金混合组织中片状α重复退火球化方法。

背景技术

近α钛合金(如TA15)具有α型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，通常在航空、航天等领域应用于关键的承力结构件。近α钛合金构件室温下的稳定组织主要由等轴α、β_转组织和片状α中一种或几种组成，其力学性能主要由等轴α和片状α的含量和形态决定。钛合金的塑性和疲劳强度取决于组织中等轴α，而断裂韧性和高温蠕变性能则与片状α有关，研究发现近α钛合金由等轴α、β_转组织和片状α构成的混合组织具有优异的综合性能。近α钛合金结构件一般通过加热锻造的方式来成形，一方面钛合金锻造温度区间窄、合金的导热性差，另一方面，钛合金在加热过程中存在α相向β相的转变，等轴α的含量对温度敏感，随着温度的上升等轴α含量将不断减少。在近α钛合金热加工时常常由于温度控制不当或锻造过程中大的温升效应而导致等轴α含量较预期偏少，甚至等轴α消失，从而使得构件的性能无法满足要求。研究发现：对于钛合金可以通过组织中片状α的球化来调节等轴α的含量和分布以满足所需的组织构成和性能要求。但钛合金在发生相变时体积膨胀率小，目前对于钛合金中片状α的球化主要是通过两相区热变形的手段来实现的，并常用于坯料改锻等环节。西北工业大学硕士学位论文《Ti-17钛合金片状组织球化规律研究》中研究了两相区变形时片状α的球化规律，发现：片状α组织的球化程度与热变形工艺参数密切相关，只有当变形程度较大且变形速率适中时才能获得较好的球化效果，但这种方法过程复杂、成本较高，且对于已经通过锻造、特别是终锻成形了的构件，已具有了一定的形状，将无法再次采用两相区变形的方法进行片状α的球化。因此，通过单纯热处理的方法实现片状α球化以满足构件组织和性能要求成为一种解决上述问题的有效手段。

在公开号为CN 102399954A的发明创造中公开了一种高碳珠光体钢变温处理快速球化方法，该方法采用共析温度A1附近循环退火的方法使高碳钢渗碳体发生球化，在加热及保温过程中碳化物断开，以点状弥散分布在基体上，在冷却过程中点状碳化物球化长大，经多次A1附近循环退火后渗碳体基本球化。但在近α钛合金中片状α由于界面能比钢中渗碳体的界面能低而更稳定，且在临界固溶温度附近循环热处理时相变驱动力较小，因此组织中片状α不会发生断裂而球化，因此钢中碳化物在共析温度A1附近循环退火的球化方法不适用近α钛合金中片状α的球化。

期刊《金属热处理》2013年第38卷第2期中文献《循环热处理温度对TC4钛合金组织和力学性能的影响》中研究了高低温度循环热处理对全片层组织球化的影响规律，发现经相变点以下20℃和固溶临界温度之间循环 9次后组织中等轴含量增加，在两相区之间不断的循环是α相和β相之间不断转变的过程，由于α相和β相之间比容差不同，因此在循环过程中组织内会产生内应力使部分片状α相分离发生球化。这种球化方法处理过程复杂，循环次数多且循环上限温度接近相变点，对于混合组织的近α钛合金热处理温度接近相变点时α相含量迅速降低，采用接近相变点的高低温热循环处理时混合组织中不仅片状α完全转变为β_转组织还会导致组织中初生等轴α含量降低，因此TC4钛合金全片层组织的高低温循环热处理方法不适用于近α钛合金混合组织中片状α的球化。

发明内容

为克服近α钛合金片状α两相区变形球化技术中存在过程复杂、成本高且不适用于已成形构件和高低温循环热处理方法不适用于近α钛合金混合组织中片状α的球化的不足，本发明提出一种近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法。

本发明的具体过程是：

将电阻炉加热到钛合金相变点以下50～60℃，将混合组织的近α钛合金试样放入电阻炉内进行高温退火处理保温，所述保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸；保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火；

重复上述退火过程，使等轴α含量增加5％到20％；所述退火过程为2～5次。

混合组织的近α钛合金试样在0.5min/mm×D时间内温度上升到相变点以下50～60℃过程中，组织中初生等轴α含量不变，组织中的片状α在相交接处首先发生溶解，片状α被分割成短棒状，继续加热和保温过程中片状α转变为β相，在转变过程中α相继续变短，且由于部分β相在α相表面下凹处嵌入片状α内使部分片状α组织被β相从原片状α上分离出来形成形状不规则的细小α；在试样内相转变结束后保温过程中较短的棒状α和分离出来的细小α在表面能的作用下发生球化，由于第一次退火后较短的棒状α含量很少，只有部分细小α球化所以等轴含量变化不大；重复退火过程中，每增加一次退火过程由于都有棒状α长度方向的溶解而变短球化和从片状α相上分离出的细小α发生球化导致等轴含量的增加，当片状α球化基本结束时增加退火次数对等轴α含量影响不大。经金相测量发现第一次退火等轴α含量增加不明显，第2次到第5次每增加1次退火处理等轴α含量约增加5％，当退火5次时等轴α含量约增加20％(如附图3)，且组织中基本不存在长片状α相，继续进行球化退火时组织变化较小。

附图说明

附图1是循环退火球化热处理工艺图

附图2是实施例一、三中TA15钛合金的初始组织图。

附图3是实施例一中TA15片状α球化后组织图。

附图4是实施例三中TA15片状α球化后组织图。

具体实施方式

实施例一

将电阻炉加热到940℃，将尺寸为Φ10×15mm的混合组织TA15钛合金试样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝10mm，故保温时间为20min。保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火工艺。

将电阻炉加热到940℃，将经过第一次退火的混合组织TA15钛合金试样放入电阻炉内，保温20min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程，依次进行第三次退火至第五次退火。重复上述退火过程，经5次退火后的TA15钛合金中等轴α含量由10％变为30％，等轴α含量增加了20％，如附图3所示。

实施例二

将电阻炉加热到950℃，将尺寸为Φ20×30mm的混合组织TA11钛合金试样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝20mm，故保温时间为25min。保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火工艺。

将电阻炉加热到950℃，将经过第一次退火的混合组织TA11钛合金试样放入电阻炉内，保温25min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程，依次进行第三次、第四次退火。经4次退火后的TA11钛合金中等轴α含量由10％变为25％，等轴α含量增加了15％。

实施例三

将电阻炉加热到940℃，将尺寸为55mm×55mm×12mm的混合组织TA15钛合金试样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝12mm，故保温时间为21min。保温结束后将试样取出空冷，完成一次退火工艺。

将电阻炉加热到940℃，将经过第一次退火的混合组织TA15钛合金试样放入电阻炉内，保温21min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺，经2次退火后的TA15钛合金中等轴α含量由10％变为15％，等轴α含量增加了5％，如附图4所示。

实施例四

将电阻炉加热到960℃，将尺寸为80mm×29mm×15mm的混合组织TA12钛合金试样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝15mm，故保温时间为22.5min。保温结束后将试样取出空冷，完成一次退火工艺。

将电阻炉加热到960℃，将经过第一次退火的混合组织TA12钛合金试样放入电阻炉内，保温22.5min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程进行第三次退火，经3次退火后的TA12钛合金中等轴α含量由10％变为20％，等轴α含量增加了10％。

Claims (1)

1.一种近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法，其特征在于，具体过程是：将电阻炉加热到钛合金相变点以下50～60℃，将具有混合组织的近α钛合金试样放入电阻炉内进行高温退火处理保温，所述保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸；保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火；重复上述退火过程，使等轴α含量增加5%到20%；所述退火过程为2～5次。