CN108823520A - 一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺 - Google Patents

一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺，通过在高温β相区进行短时保温将所有α相钛合金转变为β相，同时将晶粒的长度尺寸控制在100μm以下，获得全β组织；然后降温至α+β相区并保温，使得合金中β晶粒中析出片状初生α相，控制单个α相长度尺寸以及α相的整体体积百分含量；再通过高频感应对钛合金进行加热使钛合金温度沿钛合金厚度方向由表面至心部呈连续梯度分布，再淬火保持其结构形态；最后将上述钛合金加热至α+β相区温度并保持，使得钛合金表层全β相晶内形成并析出能使合金表面硬度大幅提高的呈弥散分布且尺寸为纳米级的ω相，再通过淬火，将具有ω相的钛合金进行形态保持。本发明的热处理工艺能极大提高合金的疲劳抗力，从而提高其疲劳性能。

Description

一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，具体为一种提高钛合金疲劳性能的热处理方法。
背景技术
随着科学技术的发展以及能源危机的冲击，现代工业对高强轻质材料的需求日益迫切，而钛合金以其优异的性能得到了迅速的发展，对钛合金的需求主要包括航空航天、国防军事、能源等领域，其中，航空航天是钛合金用量最大的领域，美国的第四代战斗机F22的用钛量占全机质量的41％，国内计划研发的大客机用钛量计划在10％左右，大型运输机用钛量可能达到15％左右，这些使得整个钛工业一直处于稳定增长态势，钛合金也成为了各国的研究热点和发展重点。
然而，在在重大工程领域应用很广的钛合金，其服役条件十分苛刻，疲劳失效往往造成巨大损失，在电力行业中，汽轮机叶片疲劳断裂事故甚至占汽轮机事故总数的首位。而在航空发动机中压气机的钛合金叶片在飞机的一次起飞-巡航-降落过程中，承受着巨大的交变载荷，极易引起疲劳损伤，这类型的疲劳失效约占航空发动机全部构件损伤的49％，且在高推重比的航空发动机对高性能钛合金的要求甚至更加严苛。近年来，我国许多机构对钛合金进行了多方面的研究，取得了很大进展。但总的来看，我国的钛合金研究应用水平，与欧美俄等国家相比仍然存在有一定差距，因此有必要加强我国钛合金科学和技术的研究。
G.Q.Wu等研究了显微组织对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响，发现了该合金的疲劳强度随着双态组织、魏氏体组织、等轴组织的顺序降低，对α相十分敏感。W.Chen等研究了微合金化对钛合金疲劳性能的影响，发现Ti-6Al-4V合金中加入0.1％的硼元素能提高其疲劳寿命。另外，还有一些证据证明，钛合金的热加工工艺、晶界形态等都将对合金的疲劳性能产生巨大影响。此外，学者们还研究了表面涂层、显微织构、载荷方式等对钛合金疲劳性能的影响，取得了一定的成果。但是目前相对于其它科学技术发达的国家，我国对钛合金的性能稳定性控制技术还缺乏系统深入的研究工作。随着钛合金在各行各业中的应用与发展，其疲劳性能的提升显得十分必要和迫切。
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疲劳性能的多级热处理工艺，以有效提高钛合金疲劳性能，来解决上述技术背景中的缺陷。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺，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相区进行短时保温来消除钛合金在加工过程中产生的内应力，并将所有α相钛合金转变为β相，同时将晶粒的长度尺寸控制在100μm以下，获得全β组织；然后降温至α+β相区并保温，使得合金中β晶粒中析出片状初生α相，控制单个α相长度尺寸在50μm以下，α相整体体积百分含量控制在40％～50％，通过这种在不同晶体晶粒中析出取向的α相相互交错的连接关系形成能有效阻止合金中疲劳裂纹的扩展的网状组织；再通过高频感应加热技术对钛合金表面进行高频感应加热，利用高频感应加热的特性使钛合金表面迅速升温，并使钛合金温度沿钛合金厚度方向由表面至心部呈连续梯度分布，这种高频快速加热的方法可使温度较高的表层重新获得全β组织，温度较低的心部组织结构保持不变，实现从表层到心部的片状初生α相的梯度增加，淬火保持其结构形态；最后，将淬火至室温状态的上述钛合金加热至α+β相区温度并保持，使得钛合金表层全β相晶内形成并析出弥散分布且尺寸为纳米级的ω相，淬火保持其结构形态，通过ω相的析出使得合金表面硬度大幅提高，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的萌生。
在本发明中，提高钛合金疲劳性能的多级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8℃～12℃，在该温度下保温5min。
步骤二：将经过步骤一处理的钛合金从高温β相区以8℃～12℃/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10min～15min，然后淬火至室温。
步骤三：采用高频感应炉对经过步骤二处理的钛合金表面进行感应加热，使钛合金表面温度提升至α+β/β转变温度以上8～12℃，加热3～6min，随后淬火至室温。
步骤四：将室温状态钛合金加热至α+β相区温度保温8～12min，将在表层全β相晶内形成并析出弥散分布且尺寸为纳米级的ω相，然后将合金直接淬火至室温即完成热处理加工。
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疲劳性能的多级热处理工艺，按该热处理工艺处理过的钛合金，在疲劳加载时，由于表面硬度高，能有效抑制疲劳裂纹在表面的萌生，而合金心部保持了网状组织，又能阻碍疲劳裂纹的扩展。这种由表及里的梯度变化组织能极大提高合金的疲劳抗力，从而提高其疲劳性能。
附图说明
图1为本发明热处理工艺流程图。
图2为本发明获得的钛合金样品组织示意图。
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。
实施例一：
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12℃，保温5min。将所有α相转变为β相，获得全β组织，消除钛合金在加工过程中产生的内应力，并晶粒尺寸控制在100μm以下。然后将钛合金从高温β相区以12℃/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)保温10min，在β晶粒中析出片状初生α相，单个α相长度尺寸控制在50μm以下，体积百分含量控制在40％～50％，不同晶体析出取向的α相相互交错，形成网状组织，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的扩展。随后将合金从α+β两相区直接淬火至室温，高温状态下得到的组织得以保持到室温。
将上述钛合金料加入高频电磁炉中采用高频感应加热技术进行快速感应加热，使得钛合金料的表面温度快速回升至α+β/β转变温度以上8℃，实现加热温度沿钛合金厚度方向(即由表面至心部)的梯度分布(即温度的梯度降低)，加热6min。使得温度较高的表层重新获得全β组织，温度较低的心部组织结构保持不变，实现从表层到心部的组织梯度变化(即片状初生α相的梯度增加)，随后淬火至室温。
将室温状态钛合金加热至α+β相区保温12min，将在表层全β相晶内形成弥散分布且尺寸为纳米级的ω相。ω相的析出使得合金表面硬度大幅提高，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的萌生。随后将合金直接淬火至室温。
实施例二：
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8℃，保温6min。将所有α相转变为β相，获得全β组织，消除钛合金在加工过程中产生的内应力的同时将晶粒尺寸控制在100μm以下。将钛合金从高温β相区以9℃/s左右的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下60℃，在此温度(即α+β相区)保温13min，在β晶粒中析出片状初生α相，单个α相长度尺寸控制在50μm以下，体积百分含量控制在40％～50％，不同晶体析出取向的α相相互交错，形成网状组织，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的扩展。随后将合金从α+β两相区直接淬火至室温，高温状态下得到的组织得以保持到室温。
将上述钛合金料加入高频电磁炉中采用高频感应加热技术进行快速感应加热，使得钛合金料的表面温度快速回升至α+β/β转变温度以上12℃，实现加热温度沿钛合金厚度方向(即由表面至心部)的梯度分布(即温度的梯度降低)，加热4min。使得温度较高的表层重新获得全β组织，温度较低的心部组织结构保持不变，实现从表层到心部的组织梯度变化(即片状初生α相的梯度增加)，随后淬火至室温。
步骤四：将室温状态钛合金加热至α+β相区保温8min，将在表层全β相晶内形成弥散分布且尺寸为纳米级的ω相。ω相的析出使得合金表面硬度大幅提高，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的萌生。随后将合金直接淬火至室温。
实施例三：
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10℃，保温5分钟。将所有α相转变为β相，获得全β组织，消除钛合金在加工过程中产生的内应力，晶粒尺寸控制在100μm以下。将钛合金从高温β相区以10℃/s左右的降温速率将合金温度降至α+β/β转变温度以下70℃，在此温度(即α+β相区)保温13分钟，在β晶粒中析出片状初生α相，单个α相长度尺寸控制在50μm以下，体积百分含量控制在40％～50％，不同晶体析出取向的α相相互交错，形成网状组织，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的扩展。随后将合金从α+β两相区直接淬火至室温，高温状态下得到的组织得以保持到室温。
将上述钛合金料加入高频电磁炉中采用高频感应加热技术进行快速感应加热，使得钛合金料的表面温度快速回升至α+β/β转变温度以上10℃，实现加热温度沿钛合金厚度方向(即由表面至心部)的梯度分布(即温度的梯度降低)，加热5min。使得温度较高的表层重新获得全β组织，温度较低的心部组织结构保持不变，实现从表层到心部的组织梯度变化(即片状初生α相的梯度增加)。随后淬火至室温。
步骤四：将室温状态钛合金加热至α+β相区保温10min，将在表层全β相晶内形成弥散分布且尺寸为纳米级的ω相。ω相的析出使得合金表面硬度大幅提高，这种组织能有效阻止合金中疲劳裂纹的萌生。随后将合金直接淬火至室温。
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变化如图2所示，由于表面硬度高，能有效抑制疲劳裂纹在表面的萌生(一般情况下，疲劳裂纹往往在合金表面萌生)，而合金心部保持了网状组织，又能阻碍疲劳裂纹的扩展。这种由表及里的梯度变化组织能极大提高合金的疲劳抗力，从而提高其疲劳性能。
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 (6)

1.一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺，其特征在于，通过在高温β相区进行短时保温来消除钛合金在加工过程中产生的内应力，并将所有α相钛合金转变为β相，同时将晶粒的长度尺寸控制在100μm以下，获得全β组织；然后降温至α+β相区并保温，使得合金中β晶粒中析出片状初生α相，控制单个α相长度尺寸在50μm以下，并控制α相的整体体积百分含量控制在40％～50％，以使合金得不同晶体晶粒中形成阻止合金中疲劳裂纹的扩展的网状组织；再通过高频感应加热对钛合金进行加热，利用高频感应加热的特性使钛合金表面迅速升温，并使钛合金温度沿钛合金厚度方向由表面至心部呈连续梯度分布，使钛合金的温度较高的表层重新获得全β组织，而温度较低的心部组织结构保持不变，再淬火保持其结构形态；最后，将淬火至室温状态的上述钛合金加热至α+β相区温度并保持，使得钛合金表层全β相晶内形成并析出能使合金表面硬度大幅提高的呈弥散分布且尺寸为纳米级的ω相，再通过淬火，将具有ω相的钛合金进行形态保持。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺，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疲劳性能的多级热处理工艺，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1所述的一种提高钛合金疲劳性能的多级热处理工艺，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，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8℃～12℃，在该温度下保温5min；
步骤二：将经过步骤一处理的钛合金从高温β相区以8℃～12℃/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10min～15min，然后淬火至室温；
步骤三：采用高频感应炉对经过步骤二处理的钛合金表面进行感应加热，使钛合金表面温度提升至α+β/β转变温度以上8～12℃，加热3～6min，随后淬火至室温；
步骤四：将室温状态钛合金加热至α+β相区温度保温8～12min，将在表层全β相晶内形成并析出弥散分布且尺寸为纳米级的ω相，然后将合金直接淬火至室温即完成热处理加工。
6.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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