CN103938136B - 一种钛合金准再结晶退火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛合金准再结晶退火工艺，采用准再结晶退火制度，为再结晶温度T_RC以下0～50℃，加热保温，得到双态组织。属于材料科学技术领域，适用于近α型和α-β两相钛合金大型锻件、厚板、大直径棒材的热处理，解决了大尺寸钛合金件强度偏低、内应力偏大的关键技术。

Description

一种钛合金准再结晶退火工艺

技术领域

本发明涉及一种获得高的室温强度、高温强度及好的塑性，并充分消除半成品内部残余应力的热处理工艺，属于材料科学技术领域，尤其适用于近α型和α-β两相钛合金大型锻件、厚板或大规格棒材等。

背景技术

随着钛合金锻件的重量及投影面积增大、厚度增加，常常出现强度偏低、内应力大的现象。强度偏低，导致锻件强度富余量小甚至低于要求的指标；内应力大，则在机加工时出现变形。如何通过热处理解决上述问题，对变形量小的钛合金半成品具有重要的工程应用价值。

本领域公知，退火的目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。退火工艺随目的不同而有多种，如重结晶退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火等等。

为消除应力，稳定组织，现有钛合金锻件通常采用的热处理工艺是再结晶温度以下100～200℃的普通退火。但是采用普通退火，对于大型锻件而言，容易导致强度低、内应力大，不能满足设计使用要求。

申请201010187483.2公开了一种TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，本质上是固溶时效工艺+阶梯升温解决变形问题。本发明以再结晶温度为基准来制定工艺，而它是随加工工艺变化，准再结晶退火工艺为的是尽可能将析出强化作用发挥出来，并避免再结晶等高温下的软化作用。该工艺兼具普通退火稳定组织消除应力的作用，又具有再结晶退火或退火断裂韧性高，并且不会晶粒长大导致塑性降低的不足。并且，本工艺可以用于钛合金厚板、大直径棒材的热处理。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种钛合金准再结晶退火工艺，解决了钛合金半成品的重量及投影面积增大、厚度增加，常常出现强度偏低、内压力大的问题。该工艺适用于近α型和α-β两相钛合金大型锻件、厚板、大规格棒材等，也可应用于其他航空材料。

为了解决前述技术问题，达到上述技术效果，本发明提供了如下的技术方案：

一种钛合金准再结晶退火工艺，采用准再结晶退火温度，即为再结晶温度TRC以下0～50℃，加热保温，得到双态组织。该双态组织由初生α相和β转变组织构成；优选地，初生α相比例为50％以下。

优选地，该退火工艺应用于钛合金大型锻件，其中，大型锻件为重量100kg以上或投影面积0.5m²以上，或40mm以上钛合金厚板或Φ300mm以上钛合金棒材。

优选地，该钛合金为近α和α-β钛合金。

优选地，再结晶温度T_RC以下0～50℃，电炉中加热保温、空冷(AC)。

优选地，再结晶温度T_RC以下0～50℃，真空炉中加热保温，然后随炉冷却(FC)或气冷。

优选地，保温时间是2～4小时。

再结晶现象通常是指冷变形金属在加热时发生的晶粒重新形核和生长的过程。破碎的晶粒变成整齐的晶粒，长晶粒变成等轴晶粒，这个过程叫再结晶。此时金属的力学性能全部恢复到加工前的状态。当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒——再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失，金属或合金的性能也发生显著变化，这一过程称为再结晶。

热加工也是在这种理论基础之上建立起来的，一般认为，随着退火温度的提高，锻件等半成品的强度和硬度略有下降，塑性略有升高，在再结晶温度以上的再结晶退火更是如此，也就是说，温度提高起到的是软化作用，这种随温度提高强度下降的软化现象，其软化机理与回复或再结晶有关。

本发明的研究者经过多次试验和仔细分析，归纳得到钛合金半成品退火时强度变化与退火温度的关系，可概括为以下几种情况，如图1所示。

第一种情况(曲线1)软化主要发生在再结晶阶段；

第二种情况(曲线2)软化在回复阶段已经开始；

第三种情况(曲线3)在回复阶段已基本全部软化；

第四种情况(曲线4)的回复阶段亚稳定β相分解占主导作用，强度将得到提高，即曲线4的虚线部分。钛合金大锻件强度与退火温度的关系与曲线4相似。

现有技术人员制订工艺的依据是曲线1、2、3，而曲线4是申请人在研究大型钛合金半成品(通常认为大锻件：重量100kg以上、投影面积0.5m²，或40mm以上钛合金厚板，或Φ300mm以上钛合金大直径棒材)时发现的，也是本发明的理论依据之一。

因此，现有技术在制订热处理工艺时，认为在能消除应力的前提下退火温度越低越好，为的是避免回复或再结晶引起的软化作用导致材料强度下降。但是，对于本发明研究的近α和α-β钛合金，发现存在特殊性，即具有第二相析出的材料，即曲线4的情况，由于析出过程与再结晶一样也是热激活过程，即温度的提高，有利于第二相的析出，而析出相则起到析出强化效果，因此，从析出强化的作用机制而言，随着温度的提高，析出强化又有利于材料强度的提高。

研究表明，对于热加工变形量小的锻件或厚板，由于变形量减小，材料再结晶温度提高，在某一温度以上，虽然不会发生再结晶，但会析出第二相，这一重要发现为锻件或厚板等变形量小的半成品提高强度提供了可能性，在此基础上，工艺的诀窍就是如何掌握软化和强化的平衡，如锻件强度不足及内应力大，希望退火温度高，析出强度起主导作用，本发明就是解决锻件等大尺寸半成品强度不足及内应力大的新型热处理工艺技术。

基于该理论分析，本发明提出一种准再结晶退火工艺，利用“回复软化---亚稳态组织(亚稳β转变组织)充分分解一析出强化”原理，解决锻件等大尺寸半成品变形量小的钛合金强度偏低的技术难题而提出的。

本发明准再结晶退火工艺与现有其他热处理工艺的区别主要表现如下：

准再结晶退火工艺是在再结晶温度T_RC以下0～50℃加热保温、冷却；现有的普通退火是在再结晶温度以下100～200℃左右，空冷；再结晶退火是在再结晶温度以上50～150℃，缓慢冷却；β退火是在相变点T_β以上50℃左右加热后空冷+去应力退火炉冷。准再结晶退火工艺为的是尽可能将析出强化作用发挥出来，并避免再结晶等高温下的软化作用。该工艺兼具普通退火稳定组织、消除应力的作用，又具有再结晶退火或β退火断裂韧性高的特点，由于准再结晶退火工艺采用再结晶温度以下进行退火，因此，不会引起晶粒长大导致塑性降低。

特别值得指出的是，本发明是根据钛合金再结晶温度选定退火工艺制度。因为再结晶温度与材料及其变形量有关，不同材料，再结晶温度不同；同一种材料变形量不同，其再结晶温度也不同。本发明工艺方法与现有普通退火的最显著区别在于，现有普通退火工艺不管是什么样的钛合金或变形量大小，退火温度一般只选一种温度退火制度的盲目性；针对再结晶温度制订锻件等大尺寸半成品热处理工艺，也是本发明的独特创新之处。

附图说明

图1为加工硬化钛合金加热时强度性能变化示意图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

将本发明与现有技术在两种钛合金锻件上的应用效果进行对照，表1为TA15普通模锻件普通退火与准再结晶退火工艺力学性能比较；表2为TA15等温精锻件普通退火与准再结晶退火工艺力学性能比较。

表1、TA15普通模锻件普通退火与准再结晶退火工艺力学性能比较-应用效果1

表2、TA15等温精锻件普通退火与准再结晶退火工艺力学性能比较-应用效果2

表中，TA15普通模锻件再结晶温度为910℃，TA15等温精锻件再结晶温度为900℃，σ_b为抗拉强度；σ_p0.2为屈服强度；δ₅为延伸率；Ψ为断面收缩率。由表可知，在保持塑性基本不变的情况下，强度和冲击韧性都明显提高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钛合金准再结晶退火工艺，适用于近α型或α-β两相钛合金的大型锻件、厚板或大规格棒材，其特征在于：所述大型锻件为重量100kg以上或投影面积0.5m²以上，所述厚板为40mm以上钛合金厚板，所述大规格棒材为Φ300mm以上钛合金棒材；采用准再结晶退火为再结晶温度T_RC以下0～50℃，加热保温，得到双态组织；该双态组织由初生α相和β转变组织构成。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金准再结晶退火工艺，其特征在于：再结晶温度T_RC以下0～50℃，电炉中加热保温、空冷。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金准再结晶退火工艺，其特征在于：再结晶温度T_RC以下0～50℃，真空炉中加热保温，然后随炉冷却或气冷。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种钛合金准再结晶退火工艺，其特征在于：保温时间是2～4小时。