CN106148867A - 一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法 - Google Patents

Abstract

一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法，冷速大于0.5℃/s时，冷速对全脱碳层深度影响不大，但冷速决定全脱碳层的形貌；冷速较大(5℃/s)的全脱碳层铁素体为等轴铁素体，这些铁素体之间镶嵌着点状的珠光体；而冷速较小(0.5℃/s)的全脱碳层铁素体为长条状，且其生长方向为垂直表面，铁素体之间没有点状的珠光体。在高温段保温一段时间的情况下，α+γ两相区加热对全脱碳层深度的影响很小；在高温段不保温的情况下，α+γ两相区加热产生的全脱碳层会遗留到试样的最终表面，适用于钛镍合金添加少量铝钒均匀布料。

Description

一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法

技术领域

本发明为一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法。

背景技术

镍钛合金是由镍和钛组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。镍钛合金冷却时的相变顺序为母相（奥氏体相）-R相-马氏体相。R相是菱方形，奥氏体是温度较高（大于同样地：即奥氏体开始的温度）的时候，或者去处载荷（外力去除Deactivation）时的状态，立方体，坚硬。形状比较稳定。而马氏体相是温度相对较低（小于Mf：即马氏体结束的温度）或者加载（受到外力活化）时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。

镍钛合金的特殊性能：1、形状记忆特性（shape memory）形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下温度形变，经加热至Af温度以下，伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。2、超弹性（superelastic）所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。即在母相状态下，由于外加应力的作用，导致应力诱发马氏体相变发生，从而合金表现出不同于普通材料的力学行为，它的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形状记忆特性相比，超弹性没有热参与。总而言之，超弹性是指在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大，可将超弹性分为线性超弹性和非线性超弹性两类。前者的应力-应变曲线中应力与应变接近线性关系。非线性超弹性是指在Af以上一定温度区间内加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果，因此非线性超弹性也称相变伪弹性。镍钛合金的相变伪弹性可达8%左右。镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变化而改变，当弓丝被加热到400℃以上时，超弹性开始下降。

本发明冷速大于0.5℃/s时，冷速对全脱碳层深度影响不大，但冷速决定全脱碳层的形貌；冷速较大(5℃/s)的全脱碳层铁素体为等轴铁素体，这些铁素体之间镶嵌着点状的珠光体；而冷速较小(0.5℃/s)的全脱碳层铁素体为长条状，且其生长方向为垂直表面，铁素体之间没有点状的珠光体。在高温段保温一段时间的情况下，α+γ两相区加热对全脱碳层深度的影响很小；在高温段不保温的情况下，α+γ两相区加热产生的全脱碳层会遗留到试样的最终表面，适用于钛镍合金添加少量铝钒均匀布料。

发明内容

发明钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法是利用碳在马氏体与奥氏体之间的扩散分配实现钢的组织结构与力学性能调控，是近年来钢铁材料领域的重要研究方向。基于碳的完全均匀分配，Speer提出了淬火-分配(Q-P)热处理工艺，本文总结了近年Q-P工艺碳分配机理研究和工艺实践。同时，根据碳在奥氏体和马氏体中的扩散分配过程分析，提出了碳的梯度扩散分配与控制理念，并开发出了分级-淬火-分配(S-Q-P)工艺，希望能获得低碳马氏体、残留奥氏体、高碳马氏体相间分布的组织。对35SiMn钢分别进行淬火-回火(Q-T)、Q-P及S-Q-P工艺试验，并测量力学性能及观察显微组织。结果表明，S-Q-P工艺处理后钢的强塑性积达到31.2GPa%(1240MPa×25%)，比传统Q-T和现行Q-P工艺分别提高67%和32%，其显微组织也接近于工艺设计的理想组织，证明了利用碳的梯度扩散分配可以实现对钢的组织与性能的调控。

发明钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法是近年来，出于保护环境、节约能源和资源的考虑，各国都加强了新型高强韧性钢的研究，以实现结构与器件轻量化，控制钢铁产量，降低能耗。在第一代先进高强钢(AHSS)的探索中，开发出了双相钢(DP)，马氏体钢(MART)，形变诱导塑性钢(TRIP)、复相钢(CP)等，第一代AHSS普遍塑性较差，强塑积低。第二代AHSS包括富锰的孪晶诱导塑性钢(TWIP)和富铝的轻量钢等，具有非常好的强塑性组合，但是其合金化程度较高，增加了钢的成本，从而限制了第二代AHSS的发展。第三代AHSS需要有相对第一代AHSS更加优异的强塑性组合，同时又要保持较低的合金化程度，保证低成本的要求。第三代AHSS以马氏体/奥氏体为重要的组织特征。在马氏体/奥氏体钢的探索上，钢中碳的分配与控制是非常重要的手段，只有奥氏体中富集的碳达到了一定的程度，才能在室温保留下来成为残留奥氏体，发挥增强塑韧性的作用。之前的一些研究工作发现，在淬火过程中，马氏体板条间的奥氏体会增碳，早期文献也讨论过碳在马氏体和奥氏体之间的分配，但都没有引起足够的重视。2003年，受到含硅和锰的TRIP钢开发的启示，Speer等首创了淬火-分配(Q-P)工艺。通过将含硅和锰的钢淬火至Ms与Mf之间某一温度，形成马-奥混合组织，随后在一定分配温度下保温，利用碳在奥氏体和马氏体中的化学位差异形成碳从马氏体向其相邻的奥氏体中扩散，奥氏体富碳导致其Ms点降低，达到一定程度即可在后续淬火后形成残留奥氏体，通过控制残留奥氏体量以获得优异的综合性能。试验证明，经过Q-P处理后，材料的室温残留奥氏体量得到了提升，其性能与传统淬火-回火(Q-T)工艺相比也有较大优势。

发明钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法是作为Q-P工艺的理论基础，碳的分配过程受到了研究者的广泛关注，最早的关于碳分配的理论模型是Speer等提出的热动力学模型，即“限制条件碳准平衡”(CCE)模型，该模型提出了以下3点假设：①在分配过程中只有碳原子发生长程扩散，马氏体/奥氏体界面固定不动;②碳从马氏体向奥氏体分配的过程是完全的，碳最终几乎全部扩散进入奥氏体中;③竞争反应(如碳化物析出、贝氏体形成)完全被抑制。CCE模型是一个理想化的模型，随着研究的深入，研究者们陆续发现其中的诸多假设并不符合实际条件。如竞争反应在许多试验中被证实是不能被完全抑制的，如贝氏体的形成，另外碳化物的析出也是不能被忽略的。钟宁等对低碳钢进行Q-P处理，发现马/奥界面在分配温度较高、保温时间较长时发生移动，对分配过程中碳扩散和马/奥相界面迁移的耦合模拟结果表明，低碳钢马/奥相界面可产生数十纳米的位移。Speer等[16]也注意到了马/奥界面的迁移及其对碳分配和最终组织的影响，但迄今尚未建立有效的模型描述界面移动对碳分配过程的影响。在分配过程中，碳无法全部进入奥氏体中，有关低碳钢的试验研究发现Q-P处理后马氏体中还残留有大约0.1wt%碳，Bigg等的研究表明马氏体中的晶体缺陷会阻碍碳的扩散。

具体实施方式

实施例1：在Q-P工艺基础上，徐祖耀等提出了淬火-分配-回火(Q-P-T)工艺，在钢中加入强碳化物形成元素Nb、Mo、V等，使其在分配阶段发生碳化物析出反应，利用弥散分布的碳化物进一步强化组织。Q-P-T工艺处理含0.028wt%Nb的中碳钢强塑性积达到30GPa%，处理0.4C-2.0Mn-1.8Si-0.5Cr(wt%，下同)钢，获得了贝氏体/马氏体/残留奥氏体的三相组织，强塑性积达到31.4GPa%(1655MPa×19%)。Edmonds等也提出了在分配阶段析出细小弥散的ε过渡碳化物以强化组织。Chen等[20]将形变诱导铁素体转变(DIFT)技术与Q-P工艺相结合，应用于TRIP780钢，获得了19.2GPa%(1200MPa×16%)的强塑性积。最近，Speer等针对CMnSi钢进行了系列研究，同时关注Mn在钢中的扩散分配及其对奥氏体的稳定作用。

实施例2：利用碳在马氏体与奥氏体之间的扩散分配实现钢的组织结构与力学性能调控，是近年来钢铁材料领域的重要研究方向。通过对碳在马氏体/奥氏体间分配过程的数值模拟，发现在碳分配过程中，马氏体迅速贫碳而奥氏体中碳浓度由边界至中心呈梯度分布，由此提出了碳的梯度扩散分配与控制理念，并在此基础上开发出了分级-淬火-分配(S-Q-P)工艺，希望能获得低碳马氏体、残留奥氏体、高碳马氏体相间分布的理想组织。选取35SiMn钢进行热处理试验，发现S-Q-P工艺处理后35SiMn钢的抗拉强度、断后伸长率及强塑性积分别达到1240MPa、25%和31.2GPa%，强塑性积比传统Q-T和现行Q-P工艺分别提高67%和32%，S-Q-P工艺处理后的35SiMn钢显微组织呈现孪晶(高碳)马氏体、残留奥氏体、板条马氏体相间分布的组织形式。这证明碳的梯度扩散分配与控制理念是可行的新一代AHSS的方向，具有巨大的发展潜力。

Claims (2)

1.一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法，其特征在于：冷速大于0.5℃/s时，冷速对全脱碳层深度影响不大，但冷速决定全脱碳层的形貌；冷速较大(5℃/s)的全脱碳层铁素体为等轴铁素体，这些铁素体之间镶嵌着点状的珠光体；而冷速较小(0.5℃/s)的全脱碳层铁素体为长条状，且其生长方向为垂直表面，铁素体之间没有点状的珠光体。

2.一种钛镍合金添加少量铝钒均匀布料方法，其特征在于：在高温段保温一段时间的情况下，α+γ两相区加热对全脱碳层深度的影响很小；在高温段不保温的情况下，α+γ两相区加热产生的全脱碳层会遗留到试样的最终表面，适用于钛镍合金添加少量铝钒均匀布料。