CN108034912B - 一种钛合金坯料热透时间的测算方法 - Google Patents

一种钛合金坯料热透时间的测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金锻造加工及热处理领域，涉及一种钛合金坯料热透时间的测算方法。测算方法的步骤如下：建立等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；制备热透时间测算试验件；对热透时间测算试验件进行热处理；确定试棒(3)组织中等轴初生α相的含量；确定热透时间。本发明提供了一种钛合金坯料热透时间的测算方法，大幅度提高了测算精度；简化了装配操作，便于在生产中实施。

Description

一种钛合金坯料热透时间的测算方法
技术领域
本发明属于钛合金锻造加工及热处理领域，涉及一种钛合金坯料热透时间的测算方法。
背景技术
钛合金具有质轻、高强、耐腐蚀的优良性能，是航空、航天和航海等领域的重要结构材料。随着我国钛合金研究与应用水平的提高，钛合金的应用领域与范围不断拓展，钛合金制件的牌号、种类、结构形式、尺寸等越来越丰富。为此，针对不同的钛合金制件性能需求，需要更有针对性的制定热机械处理工艺，实现制件组织的均匀与性能的稳定，同时降低工艺开发与试验成本，提高效益。这其中，不同加热制度下的保温时间是钛合金坯料热机械处理工艺较为重要的工艺参数之一。不同几何形状、不同尺寸或不同牌号的钛合金坯料形式，加热保温时间存在较大差异。如何精确测算保温时间，对于钛合金坯料的组织均匀性及组织的精细控制十分重要。例如，采用β锻造或准β锻造工艺制备的钛合金制件，锻前加热时间既要保证坯料芯部组织转变及微区成分均匀化的完成，又要避免β相过分长大。因此，需要控制加热时间在一个合理的区间。为此，针对坯料不同的几何形状和尺寸，进行一定的试验测算虽耗费较大，但却是十分必要的。
中国专利“确定TC17钛合金坯料在热处理炉内的加热时间的方法”(201510995923.X)公开了一种针对圆柱形棒料的打孔埋热电偶的测温装置，利用获得的坯料心部与表面温升曲线，结合实测的TC17钛合金在不同温度下的热导率和比热容数据，采用Deform 3D软件中的heat treatment模块进行传热学分析，建立起确定TC17钛合金在热处理炉内加热时间的方法。该法存在的问题是：第一、测温装置与热处理炉间的装配操作复杂，实施不方便，且危险系数高；第二、精度差，不能排除由于热电偶的热导率远高于钛合金坯料的热导率而带来的误差，只能给出坯料心部到温时间，无法通过坯料心部组织转变完成与否判断坯料是否热透。
发明内容
本发明的目的是：提供一种钛合金坯料热透时间的测算方法，以便提高测算精度；简化装配操作，便于在生产中实施。
本发明的技术方案是：一种钛合金坯料热透时间的测算方法，待测钛合金坯料的横截面形状为：圆形、正方形、正六边形或正八边形，其特征在于，测算的步骤如下：
1、建立等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2；根据用户给出的待测钛合金目标加热温度T和步骤1获得的待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度T对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％，试棒3的牌号与待测钛合金坯料的牌号相同；
采用相同牌号的钛合金制备试块2，试块2的横截面形状与尺寸与待测钛合金坯料的横截面形状与尺寸相同，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝6mm～20mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；当试块2为圆柱体时，试块2的高度H大于试块2横截面的直径；当试块2为正棱柱体时，试块2的高度H大于试块2横截面内切圆的直径；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，试棒3的上端高出试块2的上端面ΔH，试棒3的下端低于试块2的下端面ΔH，ΔH＝10mm～100mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度T对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝10min～600min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝5min～60min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为tj。
本发明的优点是：提供了一种钛合金坯料热透时间的测算方法，大幅度提高了测算精度；简化了装配操作，便于在生产中实施。
附图说明
图1是本发明试验件的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1、2，一种钛合金坯料热透时间的测算方法，待测钛合金坯料的横截面形状为：圆形、正方形、正六边形或正八边形，其特征在于，测算的步骤如下：
1、建立等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2；根据用户给出的待测钛合金目标加热温度T和步骤1获得的待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度T对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％，试棒3的牌号与待测钛合金坯料的牌号相同；
采用相同牌号的钛合金制备试块2，试块2的横截面形状与尺寸与待测钛合金坯料的横截面形状与尺寸相同，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝6mm～20mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；当试块2为圆柱体时，试块2的高度H大于试块2横截面的直径；当试块2为正棱柱体时，试块2的高度H大于试块2横截面内切圆的直径；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，试棒3的上端高出试块2的上端面ΔH，试棒3的下端低于试块2的下端面ΔH，ΔH＝10mm～100mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度T对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝10min～600min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝5min～60min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为tj。
为了确定任意尺寸的钛合金坯料的热透时间，在测算了3～5个形状相同但尺寸不同的相同牌号的钛合金坯料热透时间的基础上，通过数据的拟合处理，建立所测形状与牌号的钛合金坯料的尺寸与热透时间之间的关系曲线，从而可以推算出所测尺寸涵盖范围内的任一尺寸的钛合金坯料的热透时间。
实施例1
测算直径为600mm的TC4钛合金圆柱形坯料在950℃下的热透时间的实施步骤如下：
1、建立TC4钛合金等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立TC4钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2，试棒3和试块2的材质均为TC4钛合金；根据用户给出的TC4钛合金目标加热温度950℃和步骤1获得的TC4钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度950℃对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％；
试块2的横截面为直径为600mm的圆形，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝20mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；试块2的高度H＝650mm；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，ΔH＝100mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度950℃对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝400min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝60min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测TC4钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测TC4钛合金坯料的热透时间为tj。
实施例2
测算直径为100mm的TC4钛合金圆柱形坯料在970℃下的热透时间的实施步骤如下：
1、建立TC4钛合金等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立TC4钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2，试棒3和试块2的材质均为TC4钛合金；根据用户给出的TC4钛合金目标加热温度970℃和步骤1获得的TC4钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度970℃对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％；
试块2的横截面为直径为100mm的圆形，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝6mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；试块2的高度H＝150mm；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，ΔH＝10mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度970℃对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝60min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝5min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测TC4钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测TC4钛合金坯料的热透时间为tj。
实施例3
测算横截面内切圆直径为300mm的TA15钛合金四棱柱形坯料在940℃下的热透时间的实施步骤如下：
1、建立TA15钛合金等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立TA15钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2，试棒3和试块2的材质均为TA15钛合金；根据用户给出的TA15钛合金目标加热温度940℃和步骤1获得的TA15钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度940℃对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％；
试块2的横截面为内切圆直径为300mm的圆形，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝16mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；试块2的高度H＝350mm；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，ΔH＝50mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度940℃对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝180min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝15min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测TA15钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测TA15钛合金坯料的热透时间为tj。
实施例4
测算横截面内切圆直径为200mm的TA19钛合金六棱柱形坯料在990℃下的热透时间的实施步骤如下：
1、建立TA19钛合金等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立TA19钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2，试棒3和试块2的材质均为TA19钛合金；根据用户给出的TA19钛合金目标加热温度990℃和步骤1获得的TA19钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度990℃对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％；
试块2的横截面为内切圆直径为200mm的正六边形，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝10mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；试块2的高度H＝300mm；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，ΔH＝25mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度990℃对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝120min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝10min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测TA19钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测TA19钛合金坯料的热透时间为tj。
实施例5
测算横截面内切圆直径为450mm的TC17钛合金八棱柱形坯料在900℃下的热透时间的实施步骤如下：
1、建立TC17钛合金等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立TC17钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒3和试块2，试棒3和试块2的材质均为TC17钛合金；根据用户给出的TC17钛合金目标加热温度900℃和步骤1获得的TC17钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度900℃对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒3,试棒3是一个圆柱轴，试棒3组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％；
试块2的横截面为内切圆直径为450mm的正八边形，在试块2上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝12mm，中心孔的内径与试棒3的外径过盈配合；试块2的高度H＝500mm；
钛合金试棒3位于钛合金试块2的中心孔内，ΔH＝75mm；
3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度900℃对步骤2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝250min，保温结束后，立即取出试棒3进行空冷；
4、确定试棒3组织中等轴初生α相的含量：选取试棒3长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒3组织中等轴初生α相的含量V1％；
5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤2至步骤4，确定热透时间：
5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝20min，重复步骤2至步骤4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测TC17钛合金坯料的热透时间为ti+1；
5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤2至步骤4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒3组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测TC17钛合金坯料的热透时间为tj。

Claims (2)

1.一种钛合金坯料热透时间的测算方法，待测钛合金坯料的横截面形状为：圆形、正方形、正六边形或正八边形，其特征在于，测算的步骤如下：
1.1、建立等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线：通过试验建立待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线；
1.2、制备热透时间测算试验件：热透时间测算试验件包括试棒(3)和试块(2)；根据用户给出的待测钛合金目标加热温度T和步骤1.1获得的待测牌号钛合金组织中等轴初生α相含量与加热温度间的对应关系曲线，确定加热温度T对应的等轴初生α相含量V％，制备试棒(3),试棒(3)是一个圆柱轴，试棒(3)组织中等轴初生α相含量V0％≥V％+10％，试棒(3)的牌号与待测钛合金坯料的牌号相同；
采用相同牌号的钛合金制备试块(2)，试块(2)的横截面形状与尺寸与待测钛合金坯料的横截面形状与尺寸相同，在试块(2)上有一个贯通上下端面的、孔径为D的中心孔，D＝6mm～20mm，中心孔的内径与试棒(3)的外径过盈配合；当试块(2)为圆柱体时，试块(2)的高度H大于试块(2)横截面的直径；当试块(2)为正棱柱体时，试块(2)的高度H大于试块(2)横截面内切圆的直径；
钛合金试棒(3)位于钛合金试块(2)的中心孔内，试棒(3)的上端高出试块(2)的上端面ΔH，试棒(3)的下端低于试块(2)的下端面ΔH，ΔH＝10mm～100mm；
1.3、对热透时间测算试验件进行热处理：按照用户给出的目标加热温度T对步骤1.2获得的试验件进行保温时间为t1的热处理，t1＝10min～600min，保温结束后，立即取出试棒(3)进行空冷；
1.4、确定试棒(3)组织中等轴初生α相的含量：选取试棒(3)长度中点位置制备金相试样，并进行组织观察，确定试棒(3)组织中等轴初生α相的含量V1％；
1.5、根据V1％与V％的关系调整热处理保温时间，重复步骤1.2至步骤1.4，确定热透时间：
1.5.1、V1％＞V％：以Δt为保温时间延长的增量，Δt＝5min～60min，重复步骤1.2至步骤1.4i次，i≥1，直至Vi％＞Vi+1％＝V％，Vi+1％为与热处理保温时间ti+1相对应的试棒(3)组织中等轴初生α相的含量，ti+1＝t1+i×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为ti+1；
1.5.2、V1％＝V％：以Δt为保温时间缩短的减量，重复步骤1.2至步骤1.4j次，j≥1，直至Vj+1％＞Vj％＝V％，Vj+1％为与热处理保温时间tj+1相对应的试棒(3)组织中等轴初生α相的含量，tj+1＝t1-j×Δt，则待测钛合金坯料的热透时间为tj。
2.根据权利要求1所述的钛合金坯料热透时间的测算方法，其特征在于：在测算了3个～5个形状相同但尺寸不同的相同牌号的钛合金坯料热透时间的基础上，通过数据的拟合处理，建立所测形状与牌号的钛合金坯料的尺寸与热透时间之间的关系曲线，从而推算出所测尺寸涵盖范围内的任一尺寸的钛合金坯料的热透时间。
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