CN109554650A - 一种高强β钛合金的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：(1)固溶处理:对高强β钛合金进行固溶处理，固溶温度为钛合金β转变温度以上10～200℃，固溶处理时间为20～120min，冷却方式为水淬；(2)第一级时效处理：时效温度为400～650℃，时效时间为30～480min，冷却方式为空冷；(3)第二级时效处理：时效温度为200～400℃，所述第二级时效的时间为5～1440min，冷却方式为空冷。该种热处理工艺方法简单，且能在提高钛合金强度的同时维持较好的塑性。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金领域，尤其涉及一种高强β钛合金的热处理工艺。
背景技术
高强β钛合金具有比强度高、弹性模量低、耐腐蚀性、焊接性能好、冷成型性优良等优点，在多领域具有较高的使用价值，是α型合金和α+β型合金无法替代的。高强β钛合金因其优越的力学性能，常被用来作为结构件应用于航空、航天等领域。然而，随着航空航天事业的发展，对其力学性能提出了更高的要求。
β钛合金主要强化方式之一是在基体中析出次生α相，其尺寸及体积分数决定了合金的最终强度，细化次生α相有利于提高合金的力学性能。常规双级时效是指先在较低温度下进行时效后，再施以略高温度下的时效处理，这种方法可以有效的提高合金的强度硬度，但是塑性损失严重。
为了解决这个问题有公开号为CN108588606A的中国发明《一种快速细化高强韧β钛合金晶粒的工艺方法》公开了一种工艺方法包括以下步骤一种快速细化高强韧β钛合金晶粒的工艺方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，切取高强韧β钛合金长方体铸锭，测定其α+β→β的相变温度；第二步，低温快速锻造，在α+β→β的相变温度以上50-100℃进行一轮多向锻造后，再在300-500℃下，0.01-0.5s-1的变形参数下进行两轮多向锻造；第三步，固溶处理，将第二步低温快速锻造后的试样在相变温度以上20-50℃进行5-10min固溶，并进行空冷处理；第四步，时效处理，将第三步固溶处理后的试样在相变温度以下400-500℃进行2-8h的时效处理后，再在相变点以下150-250℃进行8-24h的二级时效处理，即可得到组织细小、强度-塑性-韧性匹配高的β钛合金。但是该种方法需要经过多次锻造，方法较为复杂，而且所用的双级时效处理是先低温处理后高温处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种方法较为简单的能在提高钛合金强度的同时维持较好的塑性的高强β钛合金的热处理工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种高强β钛合金的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)固溶处理:对高强β钛合金进行固溶处理，固溶温度为钛合金β相转变温度以上10～200℃，固溶处理时间为20～120min，冷却；本发明该步骤的冷却可以采用现有技术中常用的水淬冷却或空冷等冷却方法；
(2)第一级时效处理：时效温度为400～650℃，时效时间为30～480min，冷却方式为空冷；
(3)第二级时效处理：时效温度为200～400℃，所述第二级时效的时间为5～1440min，冷却方式为空冷。
本发明确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。本发明对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均可行。
优选的，所述步骤(1)的固溶温度为钛合金β相转变温度以上20～100℃；进一步优选为钛合金β转变温度以上30～60℃。本发明中的固溶处理能够均匀化组织，并且保留全部的β相，为后续时效处理提供了条件。
优选的，所述步骤(1)的固溶处理时间为50～100min，进一步优选为60～90min。
优选的，所述高强β钛合金的Mo当量为5～20；进一步优选6～20；进一步优选Mo当量为8～18；更进一步优选Mo当量为10～16。
优选的，所述步骤(2)第一级时效处理的时效温度为450～600℃；进一步优选时效温度为500～550℃。
优选的，所述步骤(2)第一级时效处理的时效时间为45～360min；进一步优选时效时间为60～240min。
优选的，所述步骤(3)第二级时效处理的时效温度为250～350℃；进一步优选时效温度为280～320℃。
优选的，所述步骤(3)第二级时效处理的时效时间为60～720min；进一步优选时效时间为120～480min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过在β相转变温度以上进行固溶处理，使组织全部转变为β相，然后经较高温度的第一级时效处理在β相基体形成次生α相，随后再经较低温度的第二级时效处理，能够提升合金的强度，同时保留较好的塑性，本发明的热处理工艺简单，且能在提高钛合金强度的同时维持较好的塑性，制备的高强β钛合金强度可达1500MPa以上，延伸率大于8％。
附图说明
图1为本发明的实施例1的高强β钛合金显微组织照片；
图2为本发明的实施例1的高强β钛合金的拉伸性能测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1:
原料：采用Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe锻态合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为810℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×100mm的高强β钛合金锻棒加热至830℃固溶处理30min，然后将锻棒水淬冷却至室温；该步骤的冷却还可以采用现有技术中常用的其他冷却方法均具有相似的技术效果。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在550℃时效处理240min，然后将锻棒在空气中冷却到室温。
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在400℃时效处理480min，然后将锻棒在空气中冷却到室温。
本实施例中热处理后的高强β钛合金显微组织如图1所示，本实施例中热处理后的高强β钛合金的拉伸性能如图2所示，图2中每组柱形中左侧的柱形表示抗拉强度，右侧的柱形表示延伸率；从图2可以看出，经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1500MPa以上，且延伸率大于8％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
实施例2:
原料：采用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe合金β锻造开坯合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为840℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×80mm的高强β钛合金锻棒加热至890℃固溶处理60min，然后将锻棒水淬冷却至室温。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在525℃时效处理180min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在350℃时效处理720min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1300MPa以上，且延伸率大于7％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
实施例3:
原料：采用Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si锻态合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为810℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×80mm的高强β钛合金锻棒加热至870℃固溶处理60min，然后将锻棒空冷至室温；确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在500℃时效处理120min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在300℃时效处理240min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
本实施例中经本发明的双级时效处理后，实现了在β相基体形成了大量α相。经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1400MPa以上，且延伸率大于8％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
实施例4：
原料：采用Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe锻态合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为810℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×100mm的高强β钛合金锻棒加热至820℃固溶处理120min，然后将锻棒水淬冷却至室温；该步骤的冷却还可以采用现有技术中常用的其他冷却方法均具有相似的技术效果。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在400℃时效处理30min，然后将锻棒在空气中冷却到室温。
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在200℃时效处理5min，然后将锻棒在空气中冷却到室温。
经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1300MPa以上，且延伸率大于7％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
实施例5:
原料：采用Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe合金β锻造开坯合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为840℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×80mm的高强β钛合金锻棒加热至1040℃固溶处理20min，然后将锻棒水淬冷却至室温。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在650℃时效处理480min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在280℃时效处理60min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1300MPa以上，且延伸率大于7％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
实施例6
原料：采用Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si锻态合金作为原材料。
该种合金的β相转变温度为810℃，确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤一、固溶处理：在电阻加热炉中，将尺寸为Φ10×80mm的高强β钛合金锻棒加热至910℃固溶处理80min，然后将锻棒空冷至室温；确定β相转变温度的方式，采用本领域技术人员熟知的方法确定即可例如：计算法、金相法和热膨胀法等。
步骤二、第一级时效处理：将步骤一中固溶处理后的钛合金锻棒在450℃时效处理60min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
步骤三、第二级时效处理：将步骤二中处理后的钛合金锻棒在320℃时效处理1440min，然后将锻棒在空气中冷却到室温；
本实施例中经本发明的双级时效处理后，实现了在β相基体形成了大量α相。经本发明的热处理后，高强β钛合金强度得到明显提高，且塑性保持良好，抗拉强度可达1400MPa以上，且延伸率大于8％。
本实施例对高强β钛合金的初始状态没有特殊的限定，现有技术中常用的状态铸态、热轧态、冷轧态或热处理态等均具有相似的技术效果。
Claims (10)
1.一种高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)固溶处理:对高强β钛合金进行固溶处理，固溶温度为钛合金β相转变温度以上10～200℃，固溶处理时间为20～120min，冷却；
(2)第一级时效处理：时效温度为400～650℃，时效时间为30～480min，冷却方式为空冷；
(3)第二级时效处理：时效温度为200～400℃，所述第二级时效的时间为5～1440min，冷却方式为空冷。
2.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(1)的固溶温度为钛合金β转变温度以上20～100℃。
3.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(1)的固溶温度为钛合金β转变温度以上30～60℃。
4.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述高强β钛合金的Mo当量为5～20。
5.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述高强β钛合金的Mo当量为8～18。
6.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述所述高强β钛合金的Mo当量为10～16。
7.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(2)第一级时效处理的时效温度为450～600℃。
8.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(2)第一级时效处理的时效时间为45～360min。
9.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(3)第二级时效处理的时效温度为250～350℃。
10.根据权利要求1所述的高强β钛合金的热处理工艺，其特征在于：所述步骤(3)第二级时效处理的时效时间为60～720min。
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