CN108374135B - 一种提高tc6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，包括以下工艺过程：下料→锻前加热→锻造及挤压成型→表面处理→固溶处理→预拉伸变形→退火处理→时效处理→第一次深冷处理→第二次深冷处理。本发明通过锻造及挤压成型、预拉伸变形、优化的热处理以及深冷处理方法，有效解决TC6钛合金在传统锻造和热处理工艺的缺点，在微观结构上可以诱导位错的增殖，使晶粒更加细小和均匀，在宏观上表现为材料室温以及高温综合力学性能的改善，很好的满足了该种钛合金在航空航天领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金热处理工艺技术领域，尤其涉及一种提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺。
背景技术
TC6钛合金是一种综合性能良好的马氏体型α-β两相钛合金，其不仅具有比强度高，抗腐蚀性好等特点，而且具有良好的热加工性能以及较理想的综合力学性能，被广泛应用于航空发动机叶片、涡轮盘等重要部件得制造。普通退火状态TC6钛合金可以在300℃的温度下工作5000h还可以具有良好的组织和性能稳定性。而发动机叶片等实际服役温度可达1000℃以上，这大大降低了TC6钛合金的抗氧化能力，限制其应用领域；而且在高温高压以及往复交替和周期循环应力下,发动机叶片等很容易产生逐渐扩展的脆性裂纹,导致最终断裂的倾向。另外，传统的热处理很容易使TC6钛合金出现粗大且不均匀的晶粒，严重降低了其室温强度和塑形，影响了其使用寿命。
钛合金的微观组织和力学性能对热处理工艺非常敏感，可以通过进行固溶强化和时效等热处理工艺以及加工变形来改变组织形态、种类、大小及体积分数等来实现提其力学性能的目的。例如，申请号为201310192292.9的专利提出了一种Ti-6Al-4.5Mo-3V-3Cr-2Sn系钛合金的发明方法，其有效解决了钛合金抗拉强度和塑性较低的问题，其主要是通过使高强度钛合金在900℃下锻造成饼坯后再经过850℃/1h+560℃/2h的固溶及时效热处理，得到的高强度钛合金的抗拉强度≥1100MPa，塑性≥15％；但是该方法没有考虑钛合金的高温服役工况，难以长时间应用于航空发动机叶片等高温高压的工作条件。又如，申请号为200810150913.6的发明专利提出了一种Ti53311S钛合金的热处理方法，该发明特别适合改善近α型Ti53311S 钛合金550℃高温力学性能的热处理方法，所述热处理过程中钛合金的热加工累计变形量大于95％，成品锻造温度控制在ɑ+β两相区间内，终锻温度大于900℃。但是，该方法只考虑了发明的钛合金在550℃下的力学性能，不符合航空发动机叶片在1000℃温度下的服役工况；同时，该方法没有考虑材料在高温服役环境下的热稳定性。
发明内容
本发明针对现有钛合金锻造和热处理方法中存在的缺点，提供一种提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，从而有效解决TC6钛合金锻件在传统锻造和热处理方法过程中晶粒粗大，尺寸不均，室温强度过低和高温性能不稳定的问题。
本发明的技术方案如下：
一种提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，下料：TC6钛合金原材料是尺寸为的铸锭，所述TC6钛合金的相变点温度为1008℃；
第二步，锻前加热：将第一步得到的铸锭以300℃/h的升温速率由室温升温至980±5℃，然后保温2h；
第三步，锻造及挤压成型：将第二步得到铸锭首先进行轴向镦粗，然后进行径向拉伸，最后进行挤压成型；
第四步，表面处理：将第三步得到的挤压成型板材用砂纸打磨清除材料表面的氧化层以及微裂纹，使其表面平整光洁；
第五步，固溶处理：将锻件装入加热炉内，使加热炉以150℃/h的升温速率由室温升温至900±5℃，保温2h，然后取出立即水冷至室温；
第六步，预拉伸变形：将第五步固溶处理后的锻件进行预拉伸变形处理，其中变形量为 10％～15％；
第七步，退火处理：将第六步所得的板材放入加热炉，以200℃/h升温速率使加热炉升温至630±5℃，均热后保温5h，然后空冷至室温；
第八步，时效处理：将第七步获得的锻件在580℃±5℃下进行时效处理，保温时间为5h，再以(100±5℃)/h的速率炉冷至室温；
第九步，第一次深冷处理：将第八步处理后的锻件放入深冷处理箱进行深冷处理，以 (50±3℃)/h的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温3h，再以(50±3℃)/h的降温速率升温到室温；
第十步，第二次深冷处理：将第九步得到的锻件再次放入深冷处理箱，以(100±3℃)/h 的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温2h后，直接取出放在空气中，升温至室温。进一步地，所述第三步中，挤压成型的挤压温度：480～550℃，挤压比为12～18。
进一步地，所述第九步中，第一次深冷处理保温时间为5h。
进一步地，所述第十步中，第二次深冷处理保温时间为3h。
本发明的技术效果：
本发明针对TC6钛合金在传统锻造和热处理方法过程中存在的问题，采用以下工艺过程：下料→锻前加热→锻造及挤压成型→表面处理→固溶处理→预拉伸变形→退火处理→时效处理→第一次深冷处理→第二次深冷处理。本发明通过锻造成型、预拉伸变形优化的热处理以及深冷处理相结合的方法，能够有效解决TC6钛合金在传统锻造和热处理工艺的缺点，在微观结构上诱导位错的增殖，使晶粒更加细小和均匀；在宏观上表现为材料室温以及高温综合力学性能的改善，能够很好的满足该种钛合金在航空航天领域的应用。
附图说明
图1为本发明热处理后的TC6钛合金锻件的微观组织图。
图2为本发明热处理后的TC6钛合金锻件的常温拉伸断口图。
图3为本发明热处理后的TC6钛合金锻件的高温拉伸断口图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，
第一步，下料：TC6钛合金原材料是尺寸为的铸锭，相变点温度为1008℃；
第二步，锻前加热：将第一步得到的铸锭以300℃/h的升温速率由室温升温至980℃，然后保温2h；
第三步，锻造及挤压成型：将第二步得到铸锭首先进行轴向镦粗，然后进行径向拉伸，最后进行挤压成型；所述挤压成型的挤压温度为500℃，挤压比为15；
第四步，表面处理：将第三步得到的挤压板材用砂纸打磨清除材料表面的氧化层以及微裂纹，使其表面平整光洁；
第五步，固溶处理：将锻件装入加热炉内，使加热炉以150℃/h的升温速率由室温升温至900℃，保温2h，然后取出立即水冷至室温；
第六步，预拉伸变形：将第五步固溶处理后的锻件进行预拉伸变形处理，其中变形量为 13％；
第七步，退火处理：将第六步所得的板材放入加热炉，以200℃/h升温速率使加热炉升温至630℃，均热后保温5h，然后空冷至室温；
第八步，时效处理：将第七步获得的锻件在580℃下进行时效处理，保温时间为5h，再以100℃/h的速率炉冷至室温；
第九步，第一次深冷处理：将第八步处理后的锻件放入深冷处理箱进行深冷处理，以 50℃/h的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温3h，以50℃/h的降温速率升温到室温；所述第九步中，第一次深冷处理保温时间为5h；
第十步，第二次深冷处理：将第九步得到的锻件再次放入深冷处理箱，以100℃/h的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温2h后，直接取出放在空气中，升温至室温；所述第十步中，第二次深冷处理保温时间为3h。
图1是本发明热处理后的TC6钛合金锻件的微观组织，从图1中的微观组织，可以看出 TC6钛合金锻件经过本发明的热处理之后，晶粒尺寸细小，并且尺寸均匀。
经过本发明所述的热处理方法后，TC6钛合金锻件室温拉伸强度为1030～1065MPa，延伸率为11.5％～12.3％；在800℃温度环境下的拉伸强度为520～555MPa，延伸率为16.1％～ 16.8％；性能得到了显著的提升。
图2、图3所示分别是本发明热处理后的TC6钛合金锻件的常温拉伸断口以及高温拉伸断口图。经过本发明的热处理后的TC6钛合金在常温的拉伸断口以及高温拉伸断口都表现出典型的塑性断口形貌。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，其特征在于，包含以下步骤：
第一步，下料：TC6钛合金原材料是尺寸为φ100×500的铸锭，所述TC6钛合金的相变点温度为1008℃；
第二步，锻前加热：将第一步得到的铸锭以300℃/h的升温速率由室温升温至980±5℃，然后保温2h；
第三步，锻造及挤压成型：将第二步得到铸锭首先进行轴向镦粗，然后进行径向拉伸，最后进行挤压成型；
第四步，表面处理：将第三步得到的挤压成型板材用砂纸打磨清除材料表面的氧化层以及微裂纹，使其表面平整光洁；
第五步，固溶处理：将锻件装入加热炉内，使加热炉以150℃/h的升温速率由室温升温至900±5℃，保温2h，然后取出立即水冷至室温；
第六步，预拉伸变形：将第五步固溶处理后的锻件进行预拉伸变形处理，其中变形量为10％～15％；
第七步，退火处理：将第六步所得的板材放入加热炉，以200℃/h升温速率使加热炉升温至630±5℃，均热后保温5h，然后空冷至室温；
第八步，时效处理：将第七步获得的锻件在580℃±5℃下进行时效处理，保温时间为5h，再以(100±5℃)/h的速率炉冷至室温；
第九步，第一次深冷处理：将第八步处理后的锻件放入深冷处理箱进行深冷处理，以(50±3℃)/h的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温3h，再以(50±3℃)/h的降温速率升温到室温；
第十步，第二次深冷处理：将第九步得到的锻件再次放入深冷处理箱，以(100±3℃)/h的降温速率使锻件温度降到-196℃，至少保温2h后，直接取出放在空气中，升温至室温。
2.根据权利要求1所述的提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，其特征在于：所述第三步中，挤压成型的挤压温度：480～550℃，挤压比为12～18。
3.根据权利要求1所述的提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，其特征在于：所述第九步中，第一次深冷处理保温时间为5h。
4.根据权利要求1所述的提高TC6钛合金强度及高温稳定性的加工工艺，其特征在于：所述第十步中，第二次深冷处理保温时间为3h。
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