CN108559935B - 一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺，所述工艺通过在高温β相区进行短时保温，以消除加工过程中产生的内应力，获得全β组织，然后降温至α+β相区保温以在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状α相，形成晶界强化相；然后将淬火至室温状态的钛合金在α+β相区保温，形成晶内弥散强化效应；最后钛合金从保温温度直接淬火至室温，使得钛合金在没有发生α相变的β相区域以亚稳定状态被保留至室温，使得钛合金在外力加载时具有相变强化效应。本发明能有效提高合金处理效率，节约能源，同时有效提高钛合金件的力学性能。

Description

一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺。
背景技术
钛合金由于其高的比强度和优异的抗腐蚀性能，广泛应用于航空航天、能源、航海、冶金、石油化工、机械、及医疗卫生等领域，已经成为现代社会不可或缺的材料，世界上越来越多的国家认识到钛合金的重要性，整个钛工业行业目前一直处于稳定增长态势。
钛合金中的α+β型合金与亚稳β型合金由于具有良好的可热处理强化效应、复杂的显微组织以及优异的力学性能，更是得到了人们的关注。钛合金的相变是钛合金热处理的理论基础，为了改善钛合金的性能，除了合金化以外，还要进行适当的热处理，而钛合金能进行的热处理类型较多，主要有退火、淬火时效、形变热处理、化学热处理等，同一种合金在不同的热处理下能发生不同的相变，在钛合金的相变过程中，冷却速度是一个十分重要的影响因素，它在很大程度上影响了合金的显微组织，从而影响到合金的性能：冷却速度较慢时，高温β相能直接析出α相，冷却速度较快时，母相中能形成各种亚稳相。如Ahmed T等研究了不同冷却速度对α+β型钛合金相变的影响，通过对Ti-6Al-4V合金的研究，发现不同的冷却速度下合金发生了不同的相变，冷却速度在410℃/s以上时，只发生β→α′(马氏体)相变，冷却速度在410℃/s至20℃/s时，发生β→αm块状转变，冷却速度继续降低，将直接发生β→α的相变。Grosdidier T等通过对不同温度固溶处理后的β-Cez合金进行拉伸变形测试，发现该合金在920℃、860℃、850℃固溶处理后，β相发生了应力诱导马氏体相变，但由于每种样品中β相的β稳定元素含量不同，临界诱发应力不同。Zhang X D等对Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Sn-2Zr中的α2相进行了研究，发现α2相的形成与热处理冷却速度以及时效保温时间有关，当温度升高到730℃以上时，α2相则消失。
如何通过组织最佳化获得综合性能良好的合金一直是研究工作者追求的目标。为了获得综合性能优异的钛合金构件，开发新的高效的热处理工艺显得十分必要。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺，该热处理工艺可在短时间内快速提高小尺寸钛合金块的强度和力学性能，为开拓钛合金的应用范围提供了参考，具有较佳的科研价值和现实意义。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺，该热处理工艺以α+β相钛合金及近β相钛合金为原料进行热处理加工，其加工时，钛合金料被预加工为长、宽、高均小于7cm的钛合金矩形块或者直径小于7cm的钛合金球，优选为5cm*5cm*5cm的正方体钛合金块或者直径为5cm的钛合金球。
该工艺通过在高温β相区进行短时保温可有效消除钛合金在加工过程中产生的内应力，将所有α相转变为β相，并将晶粒的长度尺寸控制在150μm以下，获得全β组织；然后降温至α+β相区保温，通过在此温度区间内保温，可在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状α相，即初生α相，并将晶粒尺寸的长度尺寸控制在20μm以下，形成晶界强化相；将上述形成晶界强化相的钛合金直接淬火至室温并保持，再将淬火至室温状态钛合金α+β相区保温，以在β相晶内形成弥散分布且尺寸细小的次生α相，该次生α相为颗粒状，尺寸约为1μm～2μm，将次生α相含量百分比控制在3～7％，形成晶内弥散强化效应；最后钛合金从保温温度直接淬火至室温，使得钛合金在没有发生α相变的β相区域以亚稳定状态被保留至室温，使得钛合金在外力加载时具有相变强化效应。
在本发明中，快速复合热处理工艺具体包括以下操作步骤：
步骤一：将钛合金料投入炉体中，将钛合金加热至α+β/β转变温度以上15℃～20℃，该温度区间即为高温β相区，在该温度下保温5min～7min。
步骤二：将经过步骤一处理的钛合金从高温β相区10℃～15℃/s的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下50℃～100℃，该温度区间即为α+β相区，在此温度下保温5min～7min。
步骤三：将经过步骤二处理的钛合金从α+β相区直接淬火至室温，以将高温状态下得到的组织快冷并保持到室温状态。
步骤四：将上述室温状态下的钛合金以大于15℃/s的升温速率加热至α+β相区保温50～70s。
步骤五：将经过步骤四处理的钛合金从保温温度直接淬火至室温即得到力学性能加强后的成品钛合金。
作为本发明的进一步限定，所述钛合金料在炉体中进行热处理时候，需要将炉体进行抽真空处理或者通入通惰性气体来进行保护。
有益效果：本发明提供了一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺，该热处理工艺通过加热-保温-降温-淬火-加热-保温-淬火的操作步骤对α+β相钛合金料及近β相钛合金料进行复合热处理，钛合金内部形成晶界强化、相变强化、弥散强化三种强化结构形式，具有明显强于未加工的钛合金料的力学性能；同时，该工艺的热处理方法的单步处理时间短，仅为数分钟，使得整个热处理工艺的整体处理效率极高，相较于传统热处理工艺动辄数小时、十几个小时甚至数天的工艺条件，提高了数倍至数十倍。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中热处理流程示意图。
图2为本发明的加工的钛合金的内部晶相图。
图3为本发明的加工的钛合金的力学强度图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
参见图1的一种提高钛合金力学性能的快速复合热处理工艺，并以三组实施例进行说明：
在实施例一中，以直径为6cm的α+β相钛合金球作为原料进行热处理加工，加工时首先采用升温和降温速率可控的真空热处理炉将钛合金加热至α+β/β转变温度以上15℃(即高温β相区)，保温7min，消除钛合金在加工过程中产生的内应力，将所有α相转变为β相，晶粒尺寸控制在150μm以下，获得全β组织；然后将钛合金从高温β相区以15℃/s的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下100℃，在此温度(即α+β相区)条件下保温7min，在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状α相，即初生α相，长度尺寸控制在20μm以下，形成晶界强化相。
将钛合金从高温α+β相区直接淬火至室温，即钛合金中加热炉中直接取出投入水中快冷，将高温状态下得到的组织保持到室温状态，再将室温状态钛合金以20℃/s的升温速率将合金加热至α+β相区温度条件下保温50s，在β相晶内形成弥散分布且尺寸细小的次生α相，次生α相为颗粒状，尺寸约为1μm～2μm，所占含量百分比控制在5％作用，形成晶内弥散强化效应。
最后，将钛合金从保温温度直接淬火至室温，将高温状态下得到的组织保持到室温状态，没有发生α相变的β相区域以亚稳定状态被保留至室温，在外力加载时具有相变强化效应。
在实施例二中，以直径为5cm的α+β相钛合金球作为原料进行热处理加工，加工时首先采用升温和降温速率可控的热处理炉作为反应容器，并在进行加热操作时向炉内通入惰性气体保护，将钛合金加热至α+β/β转变温度以上15℃(即高温β相区)，保温6min，消除钛合金在加工过程中产生的内应力，将所有α相转变为β相，晶粒尺寸控制在150μm以下，获得全β组织；再将钛合金从高温β相区以15℃/s的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下80℃，并以此温度作为α+β相区进行保温5min，在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状α相，即初生α相，长度尺寸控制在20μm以下，形成晶界强化相；
将钛合金从高温α+β相区直接淬火至室温，即钛合金中加热炉中直接取出投入水中快冷，将高温状态下得到的组织保持到室温状态；将室温状态钛合金以22℃/s的升温速率将合金加热至上述α+β相区保温70s，在β相晶内形成弥散分布且尺寸细小的次生α相，次生α相为颗粒状，尺寸约为1μm～2μm，所占含量百分比控制在5％作用，形成晶内弥散强化效应。
最后，将钛合金从保温温度直接淬火至室温，将高温状态下得到的组织保持到室温状态，没有发生α相变的β相区域以亚稳定状态被保留至室温，在外力加载时具有相变强化效应。
在实施例三中，以5cm*5cm*5cm的α+β相钛合金块作为原料进行热处理加工，加工时首先采用升温和降温速率可控的真空热处理炉将钛合金加热至α+β/β转变温度以上18℃(即高温β相区)，保温6min，消除钛合金在加工过程中产生的内应力，将所有α相转变为β相，晶粒尺寸控制在150μm以下，获得全β组织；再将钛合金从高温β相区以13℃/s的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下65℃，在此温度(即α+β相区)保温6min，在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状α相，即初生α相，长度尺寸控制在20μm以下，形成晶界强化相。
将钛合金从高温α+β相区直接淬火至室温，即钛合金中加热炉中直接取出投入水中快冷，将高温状态下得到的组织保持到室温状态；将室温状态钛合金以22℃/s的升温速率将合金加热至上述α+β相区温度保温60s，在β相晶内形成弥散分布且尺寸细小的次生α相，次生α相为颗粒状，尺寸约为1μm～2μm，所占含量百分比控制在5％作用，形成晶内弥散强化效应。
最后，将钛合金从保温温度直接淬火至室温，将高温状态下得到的组织保持到室温状态，没有发生α相变的β相区域以亚稳定状态被保留至室温，在外力加载时具有相变强化效应。
按上述三个实施例的工艺参数及方法处理过的钛合金其内部结构如图2所示，在外力加载时将表现出晶界强化、弥散强化与相变强化三种强化效应。以实施例三为例，其在加载后的力学性能如图3所示，可以获得大于1700MPa的抗压强度，远超传统高强钛合金的1300Mpa。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种提高钛合金力学性能的短时间复合热处理工艺，其特征在于，该工艺通过在高温β相区进行短时保温，将所有α相转变为β相，并将晶粒的长度尺寸控制在150μm以下，获得全β组织；然后降温至α+β相区保温，在β晶粒的晶界处形成晶界α相及由晶界形核向晶内生长的片状的初生α相，并将晶粒尺寸的长度尺寸控制在20μm以下，形成晶界强化相；将上述形成晶界强化相的钛合金直接淬火至室温并保持，然后将淬火至室温状态钛合金α+β相区保温，以在β相晶内形成尺寸约为1μm～2μm的呈弥散分布且尺寸细小的颗粒状次生α相，控制次生α相所占含量百分比控制在3～7％，形成晶内弥散强化效应；最后将钛合金从保温温度直接淬火至室温，使得钛合金在没有发生α相变的β相区域以外力加载时具有相变强化效应的亚稳定状态被保留至室温；其具体包括以下操作步骤：
步骤一：将钛合金料投入炉体中，将钛合金加热至α+β/β转变温度以上15℃～20℃，该温度区间即为高温β相区，在该温度下保温5min～7min；
步骤二：将经过步骤一处理的钛合金从高温β相区10℃～15℃/s的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下50℃～100℃，该温度区间即为α+β相区，在此温度下保温5min～7min；
步骤三：将经过步骤二处理的钛合金从α+β相区直接淬火至室温，以将高温状态下得到的组织快冷并保持到室温状态；
步骤四：将上述室温状态下的钛合金以大于15℃/s的升温速率加热至α+β相区保温50～70s；
步骤五：将经过步骤四处理的钛合金从保温温度直接淬火至室温即得到力学性能加强后的成品钛合金。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金力学性能的短时间复合热处理工艺，其特征在于，该热处理工艺以α+β相钛合金及近β相钛合金为原料进行热处理加工。
3.根据权利要求1所述的一种提高钛合金力学性能的短时间复合热处理工艺，其特征在于，钛合金料为长、宽、高均小于7cm的钛合金矩形块或者直径小于7cm的钛合金球。
4.根据权利要求3所述的一种提高钛合金力学性能的短时间复合热处理工艺，其特征在于，钛合金料为5cm*5cm*5cm的正方体钛合金块或者直径为5cm的钛合金球。
5.根据权利要求1所述的一种提高钛合金力学性能的短时间复合热处理工艺，其特征在于，所述钛合金料在炉体中进行热处理时候，需要将炉体进行抽真空处理或者通入通惰性气体来进行保护。
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