CN106929785A - 一种两相钛合金显微组织细化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种两相钛合金显微组织细化方法，包括：首先，在相变点之上(10‑20)℃对坯料短时保温后快速冷却；然后，将坯料在相变点之下(50‑80)℃进行热(温)加工，加工后迅速冷却；获得组织细小、均匀的等轴α组织。本发明所述的方法简单易行、成本低，并能得到组织细小均匀的显微组织，而且不容易发生龟裂。

Description

一种两相钛合金显微组织细化方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种细小等轴组织钛合金的制备工艺，尤其涉及一种两相钛合金微观组织细化方法。
背景技术
钛合金以其优异的性能，被广泛的应用在航天航空领域。为了更进一步挖掘钛合金的潜能，国内外学者对其进行了不懈的研究，其中组织细化是改善金属及合金的有效方法之一。目前细化钛合金的方法很多，例如：通过热氢处理、循环热处理、形变热处理都可以使钛合金晶粒细化到微米级别；Severe plastic deformation(SPD)和equal-channelangular pressing(ECAP)手段，均可使得Ti-6Al-4V组织细化到纳米级和亚微米级；I.P.Semenova研究发现Ti-6Al-4V在不损害塑性的前提下，抗拉强度可以达到1500MPa。SPD和ECAP是两种很有效的细化组织的工艺，但是他们对设备和工艺要求很高，并且也存在一些问题，如：晶化的材料因为金属间化合物的存在而使得材料非常的脆。
因此有必要提出一种既能有效细化晶粒，又操作简单、易控、对设备要求不高的钛合金细化工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细化钛合金显微组织的方法，该方法简单易行，成本低，并能得到组织细小均匀的显微组织，有利于提高材料的强度、塑性、韧性、疲劳能力及耐腐蚀性能等，充分挖掘钛合金的潜能，扩大其应用范围。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种两相钛合金显微组织细化方法，首先，在相变点之上(10-20)℃对坯料短时保温后快速冷却；然后，将坯料在相变点之下(50-80)℃进行热(温)加工，加工后迅速冷却，获得组织细小、均匀的等轴α组织。并且，该变形组织通过去应力退火或固溶时效后，依然能获得细小，均匀地组织。
本发明优选的所述两相钛合金显微组织细化方法，具体包括以下步骤：
a.在相变点Tβ之上(10-20)℃对坯料短时保温，保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料厚度mm，加热系数η1取0.4-0.7；然后对完成保温的坯料进行快速冷却；此步骤的保温可以确保α相刚好转化成β相，并且β晶粒刚好形成，未长大；快速冷却后可以得到细小均匀的晶内含有细针α相的等轴β晶粒；
b.在两相区相变点Tβ之下(50-80)℃对步骤a冷却后的坯料保温，保温时间t＝η2×H2，其中H2为坯料厚度mm，加热系数η2取0.4-0.8，确保坯料热透，然后快速开始进行热加工，加工率>40％，一火次变形，第一道次加工率不小于50％；热加工后快速冷却得到细小均匀的组织。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的短时保温温度在相变点Tβ之上(10-15)℃；最优选相变点Tβ之上10℃。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料厚度mm，加热系数η1取0.5-0.6。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的快速冷却为水淬。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的保温温度是在两相区相变点Tβ之下50℃或80℃。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的保温时间t＝η2×H2，其中H2为坯料厚度mm，加热系数η2取0.5-0.6。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的快速冷却为水淬。
本发明的一种具体实施方式，包括以下步骤：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃保温10分钟，水淬；然后将板坯在920℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
本发明的另一种具体实施方式，包括以下步骤：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃保温10分钟，水淬；然后将板坯在890℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
本发明的方法，最关键的就是将预变形后的坯料进行前期处理，即β区短时保温，得到细小的具有针状α相的等轴晶粒；发明人经大量实验验证，当热处理温度小于(Tβ+10)℃时，组织α相向β相转变不完全，而当热处理温度大于(Tβ+20)℃时，β晶粒生长速率显著增加，只有在Tβ之上(10-20)℃这个温度范围内β相的生长才能得到有效控制，才能确保α相刚好转化成β相，并且β晶粒刚好形成尚未长大。此外，本发明方法中的后期热加工，属于较高温度下的大变形锻造(加工率＞40％)，采用一火次，第一道次大变形，热加工后采用水淬等快速冷却处理，目的是尽可能地抑制晶粒的长大；本发明的所述热加工工艺能够更近一步促进合金内部细小组织的形成，而且不容易发生龟裂。
最终，通过本发明所述的方法，得到了细小晶粒的两相组织，经普通退火后得到大约500-600nm的等轴α晶。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在操作简单易行、对设备要求不高、成本相对较低、很容易推广、适合工业化生产等多方面。
附图说明
图1a和图1b是热处理后预变形坯料组织形貌图；其中，图1a是500x金相照片，图1b是10000xSEM照片。从图中可以看到，短时保温后组织中α相刚好转化成β相，并且β晶粒刚好形成，未长大，等轴β晶粒细小均匀，晶内含有细针α相。
图2是实施例一处理后坯料固溶实效组织形貌图，从图中可以看到细小的等轴组织。
图3是实施例二处理后坯料固溶实效组织形貌图，从图中可以看到细小的等轴组织。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下对本发明的具体实施方式加以描述，并通过列举实施例的方式进一步对本发明做出阐述，但是本发明的技术方案并不限于下文所描述的某种具体实施方式和所列举的某些具体实施例。
实施例一：
取TC21钛合金加工成的18mm板坯，将炉温升高到980℃，将板坯放入炉中保温10分钟，水淬，得到细小均匀的晶内含有细针α相的等轴β晶粒(组织形貌见附图1a、1b)。再将所述板坯在电阻炉中，在变形温度920℃短时保温10分钟，然后快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，水淬，TC21得到了细小的微观组织，在经过后续的热处理，TC21微观组织成细小的等轴组织，见附图2。
实施例二：
取TC21钛合金加工成的18mm板坯，将炉温升高到980℃，将板坯放入炉中保温10分钟，水淬，然后在电阻炉中预热，即在变形温度890℃保温10分钟，然后快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，水淬，TC21得到了细小的微观组织，在经过后续的热处理，TC21微观组织更加的细小，见附图3。

Claims (10)

1.一种两相钛合金显微组织细化方法，包括：首先，在相变点之上(10-20)℃对坯料短时保温后快速冷却；然后，将坯料在相变点之下(50-80)℃进行热(温)加工，加工后迅速冷却，获得组织细小、均匀的等轴α组织。
2.权利要求1所述的两相钛合金显微组织细化方法，具体包括以下步骤：
a.在相变点Tβ之上(10-20)℃对坯料短时保温，保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料厚度mm，加热系数η1取0.4-0.7；然后对完成保温的坯料进行快速冷却；
b.在两相区相变点Tβ之下(50-80)℃对步骤a冷却后的坯料保温，保温时间t＝η2×H2，其中H2为坯料厚度mm，加热系数η2取0.4-0.8，确保坯料热透，然后快速开始进行热加工，加工率>40％，一火次变形，第一道次加工率不小于50％；热加工后快速冷却得到细小均匀的组织。
3.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤a所述的短时保温温度在相变点Tβ之上(10-15)℃；最优选相变点Tβ之上10℃。
4.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤a所述的保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料厚度mm，加热系数η1取0.5-0.6。
5.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤a所述的快速冷却为水淬。
6.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤b所述的保温温度是在两相区相变点Tβ之下50℃或80℃。
7.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤b所述的保温时间t＝η2×H2，其中H2为坯料厚度mm，加热系数η2取0.5-0.6。
8.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：步骤b所述的快速冷却为水淬。
9.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃保温10分钟，水淬；然后将板坯在920℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
10.权利要求2所述的两相钛合金显微组织细化方法，其特征在于：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃保温10分钟，水淬；然后将板坯在890℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
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