CN107099764A - 一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，该工艺为：一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；二、将固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度以下60℃～80℃，空冷至室温；三、对空冷后的钛合金锻件进行时效处理，空冷至室温。本发明选取在相变点温度以下锻造得到的初始显微组织具有等轴组织、网篮组织或双态组织的钛合金锻件为热处理对象，热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，突破了利用传统固溶‑时效处理或固溶炉冷处理后钛合金强度、塑性与损伤容限性能难以良好匹配的局限。

Description

一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺
技术领域
本发明属于优化钛合金综合性能技术领域，具体涉及一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺。
背景技术
钛合金作为近几十年发展迅速的新型轻金属材料，具有强度、模量、韧性、高损伤容限和可焊接等优良的综合性能匹配，因而成为先进飞机和航空发动机的主要结构材料。随着人们对飞行器要求的提高及飞行器设计理念的变化，不仅要求钛合金的强度水平不断提高，而且对钛合金的韧性也提出了更高的要求，即在有效提高钛合金强度的同时，要求其韧性也要保持在一定的水平。材料的损伤容限性能(包括疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性)逐渐成为考核材料能否满足结构设计的重要指标。
近些年来，钛合金的β热处理工艺正以相当快的速度广泛取代传统的α+β热处理工艺。β热处理获得的片层组织中由于大量交错排列的片层α相的存在，使得裂纹通过不同位向α集束时不断改变方向，导致裂纹路径曲折、分支多，裂纹总长度增加，扩展需要消耗更多的能量，具有较高的裂纹扩展阻抗能力，因此断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率低，考虑高强高损伤容限设计时一般会把片层组织作为优选对象。然而，片层组织存在大幅度降低室温拉伸塑性或疲劳强度的缺点，高强韧钛合金如何通过β热处理参数来控制材料的显微组织特征，以期达到发挥片层组织的性能优势，避免其塑性偏低的缺点，解决合金强度与塑性、韧性之间的矛盾，具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，突破了利用传统固溶-时效处理或固溶炉冷处理后钛合金强度、塑性与损伤容限性能难以良好匹配的局限。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上30℃～60℃，保温时间t＝(d×0.6+20)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件的横截面直径，单位为mm，T1＝(T+30℃)～(T+60℃)；
步骤二、在冷却速率为0.5℃/min～1℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下60℃～80℃，然后空冷至室温；其中，钛合金锻件相变点温度T以下60℃～80℃即为(T-80℃)～(T-60℃)；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为580℃～650℃，保温时间为4h～8h。
上述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述固溶处理的温度为钛合金锻件相变点温度以上40℃～50℃，保温时间t＝(d×0.6+23)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件的横截面直径，单位为mm。
上述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为590℃～620℃，保温时间为6h～7h。
上述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述钛合金锻件为Ti-5553钛合金锻件、TB6钛合金锻件或Ti-1300钛合金锻件。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明选取在相变点温度以下锻造得到的初始显微组织具有等轴组织、网篮组织或双态组织的钛合金锻件为热处理对象，热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，突破了利用传统固溶-时效处理或固溶炉冷处理后钛合金强度、塑性与损伤容限性能难以良好匹配的局限。
2.本发明中控制固溶处理的温度为该钛合金锻件相变点温度以上30℃～60℃，目的是为了严格控制钛合金锻件中魏氏组织的晶粒尺寸，固溶处理后控制冷却速率和冷却温度的目的是为了控制钛合金锻件中初生粗大片层α相的体积含量，再经特定的时效处理工艺后，得到的钛合金锻件微观组织中含有复合型片层结构的魏氏组织，即在体积分数为10％～15％的粗α相片层之间分布着细小的次生α片层结构。
3.本发明中固溶处理后控制冷却工艺，得到合适晶粒尺寸下形成的体积分数为10％～15％粗α相片层合金微观结构，既保证了钛合金锻件具有良好的塑性又有利于提高合金断裂韧性，时效处理后在粗α相片层之间析出细小的次生α片层使钛合金锻件具有较高的强度。因此这种复合型片层结构的魏氏组织与普通片层结构的魏氏组织相比，能够明显改善魏氏组织大幅度降低室温拉伸塑性的缺点，同时使钛合金锻件的强度、塑性及损伤容限性能得到了优化。
4.本发明适合用于近β型或亚稳β型高强韧钛合金锻件的热处理过程，能够满足高综合性能的应用需求。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1中Ti-5553钛合金锻件热处理后的显微组织照片(放大倍数为1000)。
图2是本发明实施例1中Ti-5553钛合金锻件热处理后的显微组织照片(放大倍数为10000)。
图3是本发明实施例2中TB6钛合金锻件热处理后的显微组织照片(放大倍数为1000)。
图4是本发明实施例2的TB6钛合金锻件热处理后的显微组织照片(放大倍数为10000)。
具体实施方式
实施例1
本实施例提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上30℃(即T1＝T+30℃)，保温时间t为110min，t＝(d×0.6+20)min；所述钛合金锻件为相变点温度为850℃的Ti-5553钛合金锻件，其横截面直径d为150mm；
步骤二、在冷却速率为0.5℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下60℃(即T-60℃＝790℃)，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为580℃，保温时间为6h。
从图1和图2中可以看出，采用本实施例工艺热处理后，钛合金锻件的显微组织中含有体积分数为13％的初生粗α相片层，且该初生粗α相片层之间分布着细小的次生α相片层，属于由复合型片层结构形成的魏氏组织结构，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，其主要力学性能测试结果见表1。
表1
实施例2
本实施例提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上50℃(即T1＝T+50℃)，保温时间t为150min，t＝(d×0.6+30)min；所述钛合金锻件为相变点温度为810℃的TB6钛合金锻件，其横截面直径为200mm；
步骤二、在冷却速率为0.8℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下70℃(即T-70℃＝740℃)，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为590℃，保温时间为8h。
从图3和图4中可以看出，采用本实施例工艺热处理后，钛合金锻件的显微组织中含有体积分数为11％的初生粗α相片层，且该初生粗α相片层之间分布着细小的次生α相片层，属于由复合型片层结构形成的魏氏组织结构，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，其主要力学性能测试结果见表2。
表2
实施例3
本实施例提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上45℃(即T1＝T+45℃)，保温时间t为158min，t＝(d×0.6+26)min；所述钛合金锻件为相变点温度为830℃的Ti-1300钛合金锻件，其横截面直径为220mm；
步骤二、在冷却速率为1℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下60℃(即T-60℃＝770℃)，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为650℃，保温时间为4h。
采用本实施例工艺热处理后，钛合金锻件的显微组织中含有体积分数为10％的初生粗α相片层，且该初生粗α相片层之间分布着细小的次生α相片层，属于由复合型片层结构形成的魏氏组织结构，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，其主要力学性能测试结果见表3。
表3
实施例4
本实施例提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上60℃(即T1＝T+60℃)，保温时间t为128min，t＝(d×0.6+20)min；所述钛合金锻件为相变点温度为830℃的Ti-1300钛合金锻件，其横截面直径为180mm；
步骤二、在冷却速率为0.5℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下80℃(即T-80℃＝750℃)，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为600℃，保温时间为4h。
采用本实施例工艺热处理后，钛合金锻件的显微组织中含有体积分数为15％的初生粗α相片层，且该初生粗α相片层之间分布着细小的次生α相片层，属于由复合型片层结构形成的魏氏组织结构，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，其主要力学性能测试结果见表4。
表4
实施例5
本实施例提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度T1为钛合金锻件相变点温度T以上40℃(即T1＝T+40℃)，保温时间t为143min，t＝(d×0.6+23)min；所述钛合金锻件为相变点温度为830℃的Ti-1300钛合金锻件，其横截面直径为200mm；
步骤二、在冷却速率为0.6℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度T以下70℃(即T-70℃＝760℃)，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为620℃，保温时间为7h。
采用本实施例工艺热处理后，钛合金锻件的显微组织中含有体积分数为14％的初生粗α相片层，且该初生粗α相片层之间分布着细小的次生α相片层，属于由复合型片层结构形成的魏氏组织结构，该工艺热处理后的钛合金锻件具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，其主要力学性能测试结果见表5。
表5
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、对在相变点温度以下锻造得到的钛合金锻件进行固溶处理；所述固溶处理的温度为钛合金锻件相变点温度以上30℃～60℃，保温时间t＝(d×0.6+20)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件的横截面直径，单位为mm；
步骤二、在冷却速率为0.5℃/min～1℃/min的条件下将步骤一中固溶处理后的钛合金锻件冷却至其相变点温度以下60℃～80℃，然后空冷至室温；
步骤三、对步骤二中空冷后的钛合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温；所述时效处理的温度为580℃～650℃，保温时间为4h～8h。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述固溶处理的温度为钛合金锻件相变点温度以上40℃～50℃，保温时间t＝(d×0.6+23)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件的横截面直径，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为590℃～620℃，保温时间为6h～7h。
4.根据权利要求1所述的一种提高钛合金锻件损伤容限性能的热处理工艺，其特征在于，步骤一中所述钛合金锻件为Ti-5553钛合金锻件、TB6钛合金锻件或Ti-1300钛合金锻件。
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