CN108220850A - 一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法 - Google Patents

一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，属于金属热加工技术领域，通过β单相区预变形减弱钛铝合金的相变织构，操作简单、周期短，大幅度地降低了生产成本。相对于热处理方法，本发明的周期较短。与硼元素添加方法相比，通过在高铌钛铝合金的β单相区进行预变形，可使粗大长条状的TiB发生破碎，从而增加了促使非织构α相的异质形核质点。同时，由于TiB与β相的变形机制不同，在预变形过程中TiB与β相的位向关系发生了变化，使其原本遵循的位向关系：{110}β‖(001)TiB和<111>β‖[010]TiB被破坏，从而保证了由硼化物上析出的α相均为非织构α相，减小了高铌钛铝合金应力集中，同时使裂纹扩展通道随机化，减弱了合金的开裂倾向。

Description

一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法
技术领域
本发明涉及金属热加工技术领域，具体为一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法。
背景技术
钛铝合金具有低密度、高比刚、高比强等优点，在航空航天及汽车制造领域极具应用前景。传统的钛铝合金使用温度范围在650℃～750℃，严重限制了其应用范围。为了提高钛铝合金的服役温度，通常在钛铝合金中添加Nb、W等高熔点元素，形成成分范围为Ti-(40-45)Al-(5-10)Nb的高铌钛铝合金体系，提高了钛铝合金的高温强度及抗氧化性能，使其服役温度达到了800℃-900℃。由于强β稳定化元素Nb、W的添加，合金的凝固路径由包晶凝固转变为β凝固，其具体的相变序列为：L→L+β→β→β+α→α→α+γ→α2+γ。对于高铌钛铝合金而言，α相的尺寸与取向决定了(α2+γ)片层结构的特征，进一步对合金的力学性能产生显著影响。在高铌钛铝合金中，α相主要来源于β→α固态相变。在该相变过程中，α相由母相β析出，两者满足位向关系Burgers位向关系：{011}β//(0001)α以及<1-11>β//<11-20>α，在后续的α→γ相变过程中，γ由无序的α中析出，两相满足Blackburn位相关系{111}γ//(0001)α以及<1-10>γ//<11-20>α。从上述相变过程及位向关系可以看出片层界面的取向为{110}β，由于在β相中只存在六个等效的(110)面，因此由单一β相中析出的片层结构在任意截面上最多存在六种取向，即存在择优取向。再者由于变体选择效应进一步使α相的取向不随机，这种具有取向集中的α相被称之为相变织构。相变织构含量过高会导致高铌钛铝合金室温塑性降低，焊接过程中产生开裂现象。
目前，降低高铌钛铝合金相变织构含量方法主要包括：硼元素添加和热处理，硼元素添加可显著降低相变织构相含量，但粗大长条状的TiB脆性显著，在受载过程中会促进裂纹的萌生与扩展，显著降低了钛铝合金的室温塑形及加工性能。热处理可显著降低相变织构的含量，但其是以长的保温时间或慢的冷速为代价，一方面会导致生产效率的大幅度降低，另一方面会导致α晶粒的急剧长大，从而形成粗大的片层结构。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，能够减弱高铌钛铝合金相变织构，使高铌钛铝合金中存在的粗大长条状的硼化物发生破碎，减小了高铌钛铝合金应力集中，同时使裂纹扩展通道随机化，减弱了合金的开裂倾向
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，包括如下步骤：
步骤S1，将待处理高铌钛铝合金置于保护气体中，其中，保护气体为惰性气体；
步骤S2，将处于保护气体中的待处理高铌钛铝合金加热至β单相区，保温2～5min；
步骤S3，对经步骤S2处理的高铌钛铝合金进行预变形处理，其中，变形的真应变量为40％～60％，变形的应变速率为2-s～0.02-s；
步骤S4，将经步骤S3处理的高铌钛铝合金冷却至室温。
可选的，在步骤S1之前还包括对待处理高铌钛铝合金进行打磨，并进行超声波清洗。
可选的，步骤S1中将待处理高铌钛铝合金置于保护气体中包括：
将待处理高铌钛铝合金放进热模拟试验机中，使用压力压头将试棒固定；
对热模拟机的腔室抽真空至1Pa～9×10-2Pa，抽真空结束后向该腔室充保护气体至0.06MPa～0.1MPa，重复抽真空-反充保护气体过程1～2次。
可选的，步骤S3中，对经步骤S2处理的高铌钛铝合金进行预变形处理包括：通过热模拟试验机的压力压头压缩高铌钛铝合金。
可选的，步骤S2中，通过电阻加热的方式加热待处理高铌钛铝合金，升温速率为10℃/s～100℃/s。
可选的，步骤S2中所述的β单相区的温度为1300℃～1480℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，通过β单相区预变形减弱钛铝合金的相变织构，操作简单、周期短，大幅度地降低了生产成本。相对于热处理方法，本发明的周期较短，加热、预变形以及冷却至室温三个步骤耗时不足1小时，使单件周期缩短了10小时左右。与硼元素添加方法相比，通过在高铌钛铝合金的β单相区进行预变形，可使粗大长条状的TiB发生破碎，从而增加了促使非织构α相的异质形核质点。同时，由于TiB与β相的变形机制不同，在预变形过程中TiB与β相的位向关系发生了变化，使其原本遵循的位向关系：{110}β‖(001)TiB和<111>β‖[010]TiB被破坏，从而保证了由硼化物上析出的α相均为非织构α相，减小了高铌钛铝合金应力集中，同时使裂纹扩展通道随机化，减弱了合金的开裂倾向。
进一步的，与现有的热处理方法相比，本发明在高温区域1100～1480℃保温时间大幅度缩短，从而减小了晶粒粗化现象。
附图说明
图1为现有技术提供的Ti40Al8Nb0.5B合金组织照片；
图2为现有技术提供的Ti40Al8Nb0.5B合金相变织构含量统计结果；
图3为本发明实施例一提供的Ti40Al8Nb0.5B合金预变形后的组织照片；
图4为本发明实施例一提供的Ti40Al8Nb0.5B合金预变形后相变织构含量统计结果；
图5为本发明实施例二提供的Ti45Al10Nb0.5B合金预变形后的组织照片；
图6为本发明实施例三提供的Ti42Al5Nb1B合金预变形后的组织照片；
图7为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例一
图7为本发明实施例的流程图，如图7所示，一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法包括：
(1)高铌钛铝合金试棒的准备，采用线切割截取Φ8×12mm的合金试棒，所述的高铌钛铝合金为Ti40Al8Nb0.5B合金。对得到的高铌钛铝合金试棒进行打磨，并超声波清洗。
(2)抽真空及反充氩气，将试棒放进热模拟试验机中，使用压力压头将试棒固定。对所述热模拟机的腔室抽真空至1Pa，抽真空结束后向该腔室充氩气至0.06MPa。重复上述抽真空-反充氩气过程1次，结束后进入步骤3，对合金试棒进行加热。
(3)加热，采用电阻加热的方法将高铌钛铝合金试棒以10℃/s的升温速率加热至1300℃，并保温5min。保温结束后进入步骤4，对合金试棒进行预变形。
(4)预变形，采用热模拟试验机的压力压头对合金试棒进行预变形，变形的真应变量为60％，变形的应变速率为2-s。
(5)冷却至室温，预变形结束后，关闭电阻加热电源，使高铌钛铝合金试棒随炉冷却至室温，得到相变织构含量低的高铌钛铝合金。
本实施例得到的Ti40Al8Nb0.5B合金组织照片如图3所示，未预变形试样的组织照片如图1所示。与未经预变形的试样相比，预变形后的高铌钛铝合金组织中等轴的非织构α相含量显著增加，粗大条状的硼化物发生了明显的破碎，同时晶粒尺寸保持在5μm。这是由于在1300℃预变形可使硼化物发生破碎，从而使非织构α相的异质形核质点增加；同时，预变形破坏了硼化物与β相之间的位向关系，使硼化物上析出的α相均为非织构α相。未经预变形和预变形后相变织构含量的统计数据分别如图2和图4所示，可以看出经预变形后相变织构的含量由81％急剧降低至29％。
实施例二
图7为本发明实施例的流程图，如图7所示，一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法包括：
(1)高铌钛铝合金试棒的准备，采用线切割截取Φ8×12mm的合金试棒，所述的高铌钛铝合金为Ti45Al10Nb0.5B合金。对得到的高铌钛铝合金试棒进行打磨，并超声波清洗。
(2)抽真空及反充氩气，将试棒放进热模拟试验机中，使用压力压头将试棒固定。对所述热模拟机的腔室抽真空至9×10-2Pa，抽真空结束后向该腔室充氩气至0.06MPa。重复上述抽真空-反充氩气过程2次，结束后进入步骤3，对合金试棒进行加热。
(3)加热，采用电阻加热的方法将高铌钛铝合金试棒以100℃/s的升温速率加热至1480℃并保温2min。保温结束后进入步骤4，对合金试棒进行预变形。
(4)预变形，采用热模拟试验机的压力压头对合金试棒进行预变形，变形的真应变量为50％，变形的应变速率为0.2-s。
(5)冷却至室温，预变形结束后，关闭电阻加热电源，使高铌钛铝合金试棒随炉冷却至室温，得到相变织构含量低的高铌钛铝合金，组织照片如图5所示。
实施例三
图7为本发明实施例的流程图，如图7所示，一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法包括：
(1)高铌钛铝合金试棒的准备，采用线切割截取Φ8×12mm的合金试棒，所述的高铌钛铝合金为Ti42Al5Nb1B合金。对得到的高铌钛铝合金试棒进行打磨，并超声波清洗。
(2)抽真空及反充氩气，将试棒放进热模拟试验机中，使用压力压头将试棒固定。对所述热模拟机的腔室抽真空至0.4×10-1Pa，抽真空结束后向该腔室充氩气至0.06MPa。重复上述抽真空-反充氩气过程1次，结束后进入步骤3，对合金试棒进行加热。
(3)加热，采用电阻加热的方法将高铌钛铝合金试棒以60℃/s的升温速率加热至1420℃并保温3min。保温结束后进入步骤4，对合金试棒进行预变形。
(4)预变形，采用热模拟试验机的压力压头对合金试棒进行预变形，变形的真应变量为40％，变形的应变速率为0.02-s。
(5)冷却至室温，预变形结束后，关闭电阻加热电源，使高铌钛铝合金试棒随炉冷却至室温，得到相变织构含量低的高铌钛铝合金，组织照片如图6所示。
本发明所举的具体实施例仅是对此发明精神的诠释，本发明技术领域的技术人员可以对描述的具体实施例进行修改或类似的方法替代，并不偏离本发明的精神。

Claims (6)

1.一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，将待处理高铌钛铝合金置于保护气体中，其中，保护气体为惰性气体；
步骤S2，将处于保护气体中的待处理高铌钛铝合金加热至β单相区，保温2～5min；
步骤S3，对经步骤S2处理的高铌钛铝合金进行预变形处理，其中，变形的真应变量为40％～60％，变形的应变速率为2-s～0.02-s；
步骤S4，将经步骤S3处理的高铌钛铝合金冷却至室温。
2.如权利要求1所述的一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括对待处理高铌钛铝合金进行打磨，并进行超声波清洗。
3.如权利要求1所述的一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，步骤S1中将待处理高铌钛铝合金置于保护气体中包括：
将待处理高铌钛铝合金放进热模拟试验机中，使用压力压头将试棒固定；
对热模拟机的腔室抽真空至1Pa～9×10-2Pa，抽真空结束后向该腔室充保护气体至0.06MPa～0.1MPa，重复抽真空-反充保护气体过程1～2次。
4.如权利要求3所述的一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，步骤S3中，对经步骤S2处理的高铌钛铝合金进行预变形处理包括：通过热模拟试验机的压力压头压缩高铌钛铝合金。
5.如权利要求1所述的一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，步骤S2中，通过电阻加热的方式加热待处理高铌钛铝合金，升温速率为10℃/s～100℃/s。
6.如权利要求1所述的一种减弱高铌钛铝合金相变织构的方法，其特征在于，步骤S2中所述的β单相区的温度为1300℃～1480℃。
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