CN105177481A - 一种钛合金热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金热处理工艺，钛合金加热到一定温度进行渗氢处理，改善钛合金的组织和性能，然后退火冷却使氢析出，包括：钛合金的表面预处理——抽真空——加热——充入氢气——保温保压——低温退火——质量检验。真空度为1.0×10^-2Pa，钛合金的加热温度为600——800度，保温时间30——40min，真空退火时间为60min——90min。该发明能够细化钛合金晶粒，从而改善钛合金的微观组织性能和力学性能，扩大钛合金的应用范围，并且该工艺参数简单，通过调整不同的参数就可以适应不同钛合金的加工需求。

Description

一种钛合金热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种钛合金热处理工艺。

背景技术

钛合金是二十世纪五十年代兴起的～种新型材料，广泛应用于化工、航空、航天、能源、海洋开发以及医学上，并以其比强度高、密度小、较高的疲劳强度和优异的耐热、耐腐蚀性等性能，成为航空航天工业不可缺少的结构材料。

但是一般钛合金室温塑性低，变形极限低，变形抗力大，冷变形容易开裂，冷加工十分困难，因此绝大多数钛合金必须在高温下变形，但热变形温度高，流变应力大，尤其是对于那些高强、高韧、高模量、耐高温的钛合金，这种现象尤为严重，从而大大限制了它们的应用。此外钛合金在高温下模锻时，由于变形抗力大，需大型设备方能成形。同时，由于钛合金热加工时变形温度高，对模具材料提出更高要求，因此降低钛合金的变形抗力或降低变形温度是钛合金加工变形的重要课题。

热氢处理是一种新型的热加工技术，它将氢作为一种临时合金元素加入钛合金中，可以降低钛合金在热加工时的流变应力和形变温度。氢可以很容易地在钛合金中加入，可以明显提高钛合金的高温塑性和降低变形抗力，对合金的热加工性能产生有利影响，可延长模具寿命，降低加工制造成本…”。热氢处理可以全面简化各种热加工过程，包括热轧、热锻、热压、热处理以及超塑性成形，此外，热加工后氢可在真空下有效去除并使钛合金获得理想的显微组织和力学性能。钛合金的热氢处理已日益引起学术界及工业界的重视，俄罗斯等国已将此技术应用于工业生产，取得了较好的效果。

热氢处理(Thermohydrogenprocessing)利用了氢在钛合金中的特性，把氢作为临时合金化元素，以氢的可逆合金化和热影响相结合为依据对合金进行处理和加工的一种技术。钛合金的热氢处理技术，又称氢处理或氢工艺，是利用氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用以实现钛氢系统最佳组织结构、改善热轧、热锻、热压、热处理以及超塑性成形等性能的一种新体系、新方法和新手段。利用该技术可以达到改善钛合金的加工性能、提高钛制件的使用性能、降低钛产品的制造成本和提高钛合金的加工效率的目的。

压力理论氢虽以间隙态存在于点阵中，但在应力梯度的作用下会发生再分布，富集于静水压力较大的区域，形成气团，产生巨大的压力，并以切变分量附加在外应力上，使钛合金的屈服应力下降，大大降低了钛合金的韧性，产生氢脆性。

弱键理论氢进入钛合金后，削弱了金属原子之间的键合作用，降低了结合能，使金属局部区域软化。弹性模量是表征金属与合金原子间结合能高低的参数之一，加氢降低了剪切弹性模量，即说明降低了原子问的结合力。氢增强了钛原子的自扩散能力和溶质原子的扩散能力。扩散能力的提高主要是由于弱键效应而引起，弱键效应减少了溶质原子扩散所需克服的能垒，表现为由于氢的加入而导致扩散系数的提高。由于氢在a相和B相中扩散系数相差较大，使得氢在q相和6相的分布不均，导致合金元素在旺相的扩散系数的变化，使得主要合金元素重新分布。氢不仅可以促进位错增殖和增加螺形位错的可动性，而且可以改变位错结构和位错与周围环境的相互作用。实验证明：由于氢的扩散速度比位错运动快得多，氢的加入降低了应变能，直接导致位错开动力的降低，促进了位错增殖；同时在外力作用下，氢原子将先于位错运动，相当于给位错施加了一个附加的作用力，增加了螺形位错的可动性，也增加了螺形位错双弯结构的形成率，改变了位错与周围环境的相互作用。

氢的加入产生a—B相变，引起一定体积的变化，如形成氢化物的体积膨胀更大，由于体积膨胀形成较大的应变场，使基体形成较高的位错密度。在合金脱氢时，使a相成核数增加，可以形成很细小的二次Ⅱ相。

提高强度、塑性和疲劳性能为目的的组织细化是钛合金热氢处理技术很有应用前景的方向之一。自20世纪70年代以来，有不少关于热氢处理细化钛合金组织的研究报道。一般说来，热氢处理细化工艺有三种，即(1)氢化一声固溶处理一等温分解一除氢；(2)高温氢化一除氢；(3)∥固溶处理一氢化一除氢。钛合金组织的细化主要由相变所致，主要依赖于肌的分解。由于热氢处理工艺的不同，各具体工艺的组织细化机理也有区别。

宫波等的研究表明，Ti.6AI.4V合金板材经热氢处理后，其粗大的魏氏组织明显细化，但无法消除原始∥晶界，组织细化仅发生在∥晶粒内部。而Ti.5A1—2.5Fe锻造合金经热氢处理后，其内部粗大的变形组织被细化，由于在热氢处理过程中发生再结晶，因此原始晶界被消除。张少卿在研究中发现，热氢处理可使钛合金的微观组织明显细化，能将粗大的魏氏组织转变为极细小的等轴的组织，并消除了晶界a相，氢处理细化显著地提高了铸造Ti.6AI.4V合金的疲劳强度、冲击韧性和拉伸性能。Tyin等[1051在对BT5(Ti.5AI)和BT20(Ti.6A1.2Zr-lMo.1V)两合金铸锭进行热氢处理后，粗大铸态组织明显细化，强度极限分别提高了15％和10％，屈服极限分别提高了20％和12％，并且BT5合金的塑性和冲击韧性都有所提高。如果将热氢处理与热等静压技术相结合，则能有效地消除铸造钛合金中的气孔、微裂纹等铸造缺陷，从而进一步提高合金的性能。热氢处理的组织细化作用不但对铸造钛合金有作用，而且对变形钛合金同样有作用。杜忠权等对Ti.10V-2Fe.3AI合金的轧制棒材进行了热氢处理细化研究，发现合金的晶粒尺寸由189m细化至l～4nm。

热氢处理可以改善Ti3Al基的Ti.24A1.11Nb合金的显微组织，显著提高其力学性能。TilAl基的Ti.25A1.10Nb.3V-1Mo合金，在650～980℃充氢，随后在650℃除氢48d,时后，虽然组织形貌没有改变，但B2相和O相的体积分数增加，组织得到了改善。丁桦在研究氢对Ti3Al基Ti.24A1.14Nb.3V-0.5Mo合金微观组织影响的过程中发现，置氢使Ti3Al基合金B2相的体积分数增加，并可促进条状硬相的动态再结晶和软相中的位错运动，除氢后合金中的O相晶粒发生了细化。

钛合金置氢后，可以进行热变形处理，以获得更细小的晶粒组织。变形后的晶粒尺寸取决于变形条件和材料本身的性能，可以通过降低变形温度或提高变形速率来限制变形过程中的动态再结晶程度，从而控制晶粒的大小。对氢致钛合金组织细化的机理进行了研究，认为钛合金在置氢退火后的冷却过程中发生转变，由于转变过程产生的大的体积变化效应以及由于主要合金元素的∥相的低强度而产生于共格结合的晶粒一基体相界上的高弹性应力，导致在a相形成钛合会的微观组织形态主要取决于合金的化学成分、变形热力学参数、加热冷却条件和热处理制度，而组织又是决定性能的重要因素，可以通过控制显微组织来改变和获得所需要的性能。

在高温变形过程中，晶粒内部变形主要是通过位错滑移来进行，由于受到热激活的作用，有大量位错源开动，并且位错滑移比室温容易的多，位错滑移过程中的交互作用导致位错网格的形成，有的晶内可能形成多个位错网，位错网的形成阻碍了位错通过攀移和重组的动态恢复过程，并使位错继续滑移困难，由此引起严重加工硬化，致使流变应力增加。动态回复是高层错能金属(如Al、a—Fe、Gr、Mo和w等)在高温变形时起主导作用的软化机理。这是由于高层错能金属中的扩散位错很窄，容易发生交滑移和攀移，容易从节点和位错网中解脱出来而与异号位错相互抵消，因此亚组织中的位错密度较低，剩余的储能不足以引起动态再结晶。通常，溶质原子会降低层错能，使扩散位错的交滑移变得困难，因而会阻碍动态回复，并增加动态再结晶的倾向性。当应变引起的晶格畸变达到一定程度诱发再结晶形核，再结晶的发生又使流变应力降低，再结晶晶粒在外应力作用下再次发生形核再结晶。当应变速率较大时，原予扩散受阻，变形产生的位错塞积来不及通过动态回复松弛，所以随着变形量的增加，位错塞积越来越严重。在一定情况下产生孪晶变形，改变晶粒取向，使合金在有利的方向上继续变形，如此反复形成应力的上下波动，大量晶粒发生这种周期性的动态再结晶导致流变应力发生高频率的周期性波动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种钛合金热处理工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛合金热处理工艺，钛合金加热到一定温度进行渗氢处理，改善钛合金的组织和性能，然后退火冷却使氢析出，包括：钛合金的表面预处理——抽真空——加热——充入氢气——保温保压——低温退火——质量检验。真空度为1.0×10^-2Pa，钛合金的加热温度为600——800度，保温时间30——40min，真空退火时间为60min——90min。

具体实施方式

实施例1

一种钛合金热处理工艺，钛合金加热到一定温度进行渗氢处理，改善钛合金的组织和性能，然后退火冷却使氢析出，包括：钛合金的表面预处理——抽真空——加热——充入氢气——保温保压——低温退火——质量检验。钛合金为TA10，试件尺寸为100mm×200mm×8mm，真空度为1.0×10^-2Pa，钛合金的加热温度为600度，保温时间40min，真空退火时间为90min。

实施例2

一种钛合金热处理工艺，钛合金加热到一定温度进行渗氢处理，改善钛合金的组织和性能，然后退火冷却使氢析出，包括：钛合金的表面预处理——抽真空——加热——充入氢气——保温保压——热加工——低温退火——质量检验。钛合金为TC6，试件尺寸为直径15mm棒材，热加工为加工成直径为13mm的棒材，真空度为1.0×10^-2Pa，钛合金的加热温度为700度，保温时间35min，真空退火时间为80min。

Claims (2)

1.一种钛合金热处理工艺，其特征在于钛合金加热到一定温度进行渗氢处理，改善钛合金的组织和性能，然后退火冷却使氢析出，包括：钛合金的表面预处理——抽真空——加热——充入氢气——保温保压——低温退火——质量检验。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的真空度为1.0×10^-2Pa，钛合金的加热温度为500——600度，保温时间30——40min，真空退火时间为60min——90min。