CN106011538B - 一种控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法 - Google Patents

一种控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法，其主要是将Ti20Zr6.5Al4V合金棒材切成圆锭并清理干净；放入电阻炉中加热至950～1050℃，保温20～40min，取出后迅速放入水中淬火；然后将合金锭加热至750～900℃，保温时间小于5min，取出后用双辊轧机进行轧制变形，轧制速度为0.3～0.6m/s，单道次压下量为0.5～2mm；如此重复加热‑轧制5～20次，直至变形量达到60％以上，空冷至室温；再对合金加热后进行退火处理，退火温度为750～850℃，保温1～12h后随炉冷却至室温。本发明操作简单、生产成本低，在保证强度的同时显著地提高了合金的塑性。

Description

一种控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种提供钛合金塑性的方法。
背景技术
钛合金是20世纪50年代开始发展与应用的重要金属结构材料，由于具有优异的理化性能及高的比强度等优点，已成为航空航天等领域的关键结构材料。Ti20Zr6.5Al4V合金作为近期开发出的一种新型钛合金，在500℃时效处理后，其组织形态主要为细小的板条状α相，屈服强度可高达1600MPa，然而延伸率只有2.05％，其塑性亟待提高。目前，对于该合金的处理手段仅限于锻造、时效、退火等加工工艺，微观组织为单一的片层状组织，塑性虽然有所提高，但是效果不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、加工成本低、能够提高合金塑性和强度的控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法。本发明主要是通过淬火、轧制及退火处理，得到等轴晶含量超过85％以上且组织均匀细小的微观组织形貌。
本发明的技术方案如下：
(1)原料：
所用Ti20Zr6.5Al4V合金的化学成分的质量百分比为Ti：66.5～67.1、Zr：18.7～18.8、Al：5.6～6.0、V：3.8～3.9；
(2)合金预处理：
用线切割机将Φ42mm的Ti20Zr6.5Al4V合金棒材切成厚度为16mm的圆锭并清理干净；
(3)淬火热处理：
将步骤(2)的合金锭放入真空管式电阻炉中进行加热，为了防止合金的氧化，用氩气作为保护气氛，把合金加热至950～1050℃，保温20～40min，取出后迅速放入水中进行淬火，为后续加热、轧制做准备；
(4)短时保温进行多道次轧制：
将步骤(3)得到的合金锭用箱式电阻炉以10℃/min的升温速度加热至750～900℃，保温时间小于5min，取出后用双辊轧机进行轧制变形，轧制速度为0.3～0.6m/s，单道次压下量为0.5～2mm；每道次轧制结束后，将合金再次放入热处理炉中，达到750～900℃并保持温度不超过5min，取出后再次进行轧制，如此重复加热-轧制5～20次，直至变形量(变形量＝(热加工前的坯料的厚度-热加工后坯料的厚度)/热加工前的坯料的厚度)×100％)达到60％以上，空冷至室温；
(5)退火热处理：
将步骤(4)轧制的变形合金放入真空管式电阻炉中进行加热，为了防止合金的氧化，用氩气作为保护气氛进行退火处理，退火温度为750～850℃，保温1～12h后随炉冷却至室温。
该方法主要是通过淬火获得细小的马氏体组织，为后续的轧制处理做准备，以保证合金锭在轧制过程中进行均匀变形。为防止细小的淬火马氏体组织分解、长大成粗大板条组织，不利于轧制过程的均匀变形，当合金达到预设的轧制温度后，保温时间不能太长，通常保温时间小于5min。轧制后合金达到预定的退火温度后，要有足够长的保温时间，一般为1～12h，以保证获得稳定的等轴晶合金，在改善合金塑性变形能力同时，使强度也得到了一定的提高。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用本发明得到的Ti20Zr6.5Al4V合金，组织状态为均匀细小的等轴晶，均匀塑性显著提高，提高幅度达124％，合金强度最大可提高30％；
2、采用本发明得到的等轴晶含量超过85％，改变了目前该合金组织单一的现状，为合金的组织多样化奠定了基础，可以根据使用要求定制需要的合金组织，从而推广该合金的应用；
3、工艺流程简单，操作难度不大，普通工业生产设备即可进行相关步骤处理，不受加工设备的限制，加工成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的组织等轴化的Ti20Zr6.5Al4V合金金相图。
图2为本发明实施例2得到的组织等轴化的Ti20Zr6.5Al4V合金金相图。
图3为本发明实施例3得到的组织等轴化的Ti20Zr6.5Al4V合金金相图。
图4为本发明实施例4得到的组织等轴化的Ti20Zr6.5Al4V合金金相图。
具体实施方式
实施例1：
取Ti20Zr6.5Al4V合金棒材，其化学成分的质量百分比为Ti：67.1％、Zr：18.8％、Al：5.6％、V：3.8％，用线切割机将合金棒切成Φ42×16mm的圆锭并清理干净，将合金锭放入真空管式电阻炉热(处理炉型号：QSH-VTF-1200T；生产厂商：上海全硕电炉有限公司，以下实施例相同)中加热，使用氩气作为保护气氛，当温度升至970℃时，保温30min，取出合金锭后迅速放入水中进行淬火；轧制前用箱式电阻炉(型号：KL-13；生产厂商：天津市凯恒电热技术有限公司，以下实施例相同)以10℃/min的升温速率将温度升高至800℃，保温2min后，用双辊轧机对合金锭进行轧制变形，轧制速度为0.4m/s，单道次压下量为1.5mm；每道次轧制结束后，将合金放入热处理炉重新加热中，当温度升高到850℃，保温2min后再次轧制，如此重复加热-轧制7次，直至合金厚度为5.5mm，变形量为65.6％，将合金空冷至室温。最后，再次使用真空管式电阻炉进行退火处理，退火温度为800℃，保温2h后随炉冷却，得到的Ti20Zr6.5Al4V合金的组织照片如图1所示，经过淬火、轧制和退火处理后，使原始合金中板条状的α相组织发生了等轴化，等轴晶平均尺寸为3.92μm。本合金与原始合金材料相比，其塑性提高了92.3％、屈服强度提高了30.2％(见表1)。
实施例2：
取Ti20Zr6.5Al4V合金棒材，其化学成分的质量百分比为Ti：67.1％、Zr：18.8％、Al：5.6％、V：3.8％，用线切割机将合金棒切成Φ42×16mm的圆锭并清理干净，将合金锭放入真空管式电阻炉热中加热，使用氩气作为保护气氛，当温度升至970℃时，保温30min，取出合金锭后迅速放入水中进行淬火；轧制前用箱式电阻炉以10℃/min的升温速率将温度升高至850℃，保温4min后，用双辊轧机对合金锭进行轧制变形，轧制速度为0.4m/s，单道次压下量为1.5mm；每道次轧制结束后，将合金放入热处理炉重新加热中，当温度升高到850℃，保温4min后再次轧制，如此重复加热-轧制7次，直至合金厚度为5.5mm，变形量为65.6％，将合金空冷至室温。最后，再次使用真空管式电阻炉进行退火处理，退火温度为800℃，保温8h后随炉冷却，得到的Ti20Zr6.5Al4V合金的组织照片如图2所示，经过淬火、轧制和退火处理后，使原始合金中板条状的α相组织发生了等轴化，等轴晶平均尺寸为5.11μm。本合金与原始合金材料相比，其塑性提高了125.0％、屈服强度提高了15.6％(见表1)。
实施例3：
取Ti20Zr6.5Al4V合金棒材，其化学成分的质量百分比为Ti：66.5％、Zr：18.7％、Al：6.0％、V：3.9％，用线切割机将合金棒切成Φ42×16mm的圆锭并清理干净，将合金锭放入真空管式电阻炉热中加热，使用氩气作为保护气氛，当温度升至1050℃时，保温20min，取出合金锭后迅速放入水中进行淬火；轧制前用箱式电阻炉以10℃/min的升温速率将温度升高至900℃，保温1min后，用双辊轧机对合金锭进行轧制变形，轧制速度为0.6m/s，单道次压下量为2mm；每道次轧制结束后，将合金放入热处理炉重新加热中，当温度升高到900℃，保温1min后再次轧制，如此重复加热-轧制5次，直至合金厚度为6mm，变形量为62％，将合金空冷至室温。最后，再次使用真空管式电阻炉进行退火处理，退火温度为850℃，保温1h后随炉冷却，得到的Ti20Zr6.5Al4V合金的组织照片如图3所示，经过淬火、轧制和退火处理后，使原始合金中板条状的α相组织部分发生了等轴化，基体温片层状组织。本合金与原始合金材料相比，其塑性提高了65.0％、屈服强度提高了32.1％(见表1)。
实施例4：
取Ti20Zr6.5Al4V合金棒材，其化学成分的质量百分比为Ti：66.5％、Zr：18.7％、Al：6.0％、V：3.9％，用线切割机将合金棒切成Φ42×16mm的圆锭并清理干净，将合金锭放入真空管式电阻炉热中加热，使用氩气作为保护气氛，当温度升至950℃时，保温40min，取出合金锭后迅速放入水中进行淬火；轧制前用箱式电阻炉以10℃/min的升温速率将温度升高至750℃，保温1min后，用双辊轧机对合金锭进行轧制变形，轧制速度为0.3m/s，单道次压下量为0.5mm；每道次轧制结束后，将合金放入热处理炉重新加热中，当温度升高到750℃，保温5min后再次轧制，如此重复加热-轧制20次，直至合金厚度为6mm，变形量为62％，将合金空冷至室温。最后，再次使用真空管式电阻炉进行退火处理，退火温度为750℃，保温12h后随炉冷却，得到的Ti20Zr6.5Al4V合金的组织照片如图4所示，经过淬火、轧制和退火处理后，基体为等轴晶。本合金与原始合金材料相比，其塑性提高了70.7％、屈服强度提高了30.1％(见表1)。
表1：不同处理方式合金的拉伸性能及对比。

Claims (1)

1.一种控制晶粒等轴化提高Ti20Zr6.5Al4V合金塑性的方法，其特征在于：
(1)所用Ti20Zr6.5Al4V合金的化学成分的质量百分比为Ti：66.5～67.1、Zr：18.7～18.8、Al：5.6～6.0、V：3.8～3.9；
(2)用线切割机将Φ42mm的Ti20Zr6.5Al4V合金棒材切成厚度为16mm的圆锭并清理干净；
(3)将步骤(2)的合金锭放入真空管式电阻炉中进行加热，为了防止合金的氧化，用氩气作为保护气氛，把合金加热至950～1050℃，保温20～40min，取出后迅速放入水中进行淬火；
(4)将步骤(3)得到的合金锭用箱式电阻炉以10℃/min的升温速度加热至750～900℃，保温时间小于5min，取出后用双辊轧机进行轧制变形，轧制速度为0.3～0.6m/s，单道次压下量为0.5～2mm；每道次轧制结束后，将合金再次放入热处理炉中，达到750～900℃并保持温度不超过5min，取出后再次进行轧制，如此重复加热-轧制5～20次，直至变形量达到60％以上，空冷至室温；
(5)将步骤(4)轧制的变形合金放入真空管式电阻炉中进行加热，为了防止合金的氧化，用氩气作为保护气氛进行退火处理，退火温度为750～850℃，保温1～12h后随炉冷却至室温。
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