CN110578072B - 具有梯度组织的两相钛合金及其制备方法 - Google Patents

具有梯度组织的两相钛合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有梯度组织的两相钛合金及其制备方法，属于钛合金的热加工成型技术领域。本发明具有梯度组织的两相钛合金的制备方法步骤包括a.采用电子束冷床炉熔炼技术制得TC4钛合金铸坯；b.测定铸坯不同厚度位置的相变温度，得到表面层相变温度Tβ1，四分之一层位置相变温度Tβ2，心部位置相变温度Tβ3；c.采用两火锻造工艺对铸坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度控制在Tβ3+150℃，第二火锻造采用的加热温度介于Tβ3和Tβ1之间。本发明可获得具有梯度组织的双相钛合金板材，板材表面形成一定厚度的魏氏组织层，而内部保持双态组织，提高了TC4两相钛合金板材的抗弹性能。

Description

具有梯度组织的两相钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于钛合金的热加工成型技术领域，具体涉及具有梯度组织的两相钛合金及其制备方法。
背景技术
在陆军装备领域，由于钛合金具有较高的质量防护系数和密度低等优势，在坦克、装甲车等需要高机动性的武器装备上已经被用作装甲材料。而且，近年来为提高装甲车辆的机动性、燃油效率和运输性，对于减少坦克、直升机等各种应用中使用的装甲结构重量的需求日益提升。钛合金因具有很高的比强度、优异的力学性能及良好的抗弹性能，为满足这种减重挑战提供了很多希望。然而，在抵抗穿甲弹方面，需要材料具有很高的强塑性配合，而均质金属材料在提高强度时，塑性必然下降，导致强塑性很难达到较高水平。相关研究结果表明，作为装甲的金属板，迎弹面需要很高的强度，来尽量多的吸收弹的能量，而装甲板背部需要较好的韧塑性，来防止背部崩落，因此提出了叠层装甲的设计，即把不同性能特点的板材叠合，来组合成具有更优抗弹性能的装甲板。但是叠层装甲板存在复合界面对综合性能产生不良影响的问题，同时制备工艺流程复杂，材料成本高。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的问题，提供具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，包括如下步骤：
a.采用电子束冷床炉熔炼技术制得TC4钛合金铸坯；
b.测定TC4钛合金铸坯不同厚度位置的相变温度，得到表面层相变温度Tβ1，四分之一层位置相变温度Tβ2，心部位置相变温度Tβ3；
c.采用两火锻造工艺对TC4钛合金铸坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度控制在Tβ3+150℃，第二火锻造采用的加热温度T介于Tβ3和Tβ1之间。
其中，步骤a中TC4铸坯以质量百分数计含有7％～8％Al，4.0％～4.5％V。
其中，步骤a中TC4铸坯厚度方向Al元素含量呈现梯度分布，表面层Al含量最低，心部位置最高。
其中，步骤b采用DSC的方法测定铸坯不同厚度位置的相变温度。
其中，步骤c第一火锻造总变形量控制在60％以上，完成后甩出清理。
其中，步骤c所述第二火锻造分两次锻造操作完成，第一次锻造总变形量控制在大于50％，完成后回炉再烧，第二次锻造总变形量小于30％。
其中，回炉再烧时间t/min根据板厚h/mm计算，t＝(2～3)×h。其中，板厚为回炉再烧入炉时的板厚，即第一次锻造变形后的板厚。
其中，两相钛合金表面形成一定厚度的魏氏组织层，内部保持双态组织。
本发明的有益效果：
本发明通过采用电子束冷床炉熔炼和锻造加工获得具有梯度组织的双相钛合金板材，尤其在变形过程中对加热温度的精准控制，使板材表面形成一定厚度的魏氏组织层，而内部保持双态组织，该组织形态可以有效提高板材的抗弹性能，在保持相同防护系数的条件下，降低装甲厚度，从而减小装甲的面密度，从而提高钛合金材料在装甲领域的应用价值，推进装甲钛合金在陆装领域的规模化应用。
具体实施方式
两相钛合金具有α和β两种相组分，两相钛合金具有四种典型的组织形态，不同的组织类型具有不同的性能特点，例如魏氏组织高强低塑性，等轴组织低强高塑性，双态组织则具有相对较好的强塑性匹配。通过调控相比例和相形态，可以使得两相钛合金具有不同的强塑性匹配，其中TC4钛合金是应用最广泛的两相钛合金。
电子束冷床炉是在真空状态下，利用电子束轰击产生的热量进行高温难熔金属熔炼及提纯的专用真空熔炼设备。在电子束炉中设置水冷铜床，将电子束加热熔化的液态金属流过水冷铜床时进行精炼的熔炼设备称为电子束冷床炉(Electron Beam Cold HearthFurnace，简称EB炉)。通过数支电子束枪对原料、凝壳以及结晶器的分别照射，在熔化原料的同时，使凝壳上方的熔融金属获得充分的液态维持时间与过热度，促使原料中的各类杂质元素和夹杂物或下沉或上浮或熔化或挥发加以去除，其制备的铸锭成分均匀、纯净度高、宏观偏析小。
本发明采用电子束冷床炉熔炼TC4钛合金板坯，由于合金中Al元素沸点较低，将在熔炼过程中出现烧损，表层Al元素烧损量大，越往心部烧损量越小，同时结合EB坯凝固过程特点，元素更容易往最后凝固区域富集，从而在厚度方向上形成Al元素含量的梯度分布，导致板坯不同厚度位置的相变温度不同，锻造过程只要制定合适加热温度，便可以获得厚度方向梯度变化的组织类型，不同类型组织层厚度可控，解决了表面强化处理硬化层薄的问题，而且具有梯度组织的双相钛合金板材，同样具有叠层装甲类似的防弹特点，同时避免了复合界面对综合性能的影响，减少了制备工艺流程，从而降低了材料成本，提高市场竞争力。
本发明提供具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，包括如下步骤：
a.采用电子束冷床炉熔炼技术制得TC4钛合金铸坯；
b.测定TC4钛合金铸坯不同厚度位置的相变温度，得到表面层相变温度Tβ1，四分之一层位置相变温度Tβ2，心部位置相变温度Tβ3；
c.采用两火锻造工艺对TC4钛合金铸坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度控制在Tβ3+150℃，第二火锻造采用的加热温度介于Tβ3和Tβ1之间。
本发明采用电子束冷床炉熔炼TC4钛合金板坯，厚度方向上形成Al元素含量的梯度分布，导致板坯不同厚度位置的相变温度不同，因此Tβ3＞Tβ2＞Tβ1。
本发明基于不同厚度位置的相变温度不同，后续锻造过程只要制定合适加热温度，便可以获得厚度方向梯度变化的组织类型，而且不同类型组织层厚度可控，当外层组织类型需要的厚度较大时，第二火锻造采用的加热温度T采用Tβ3和Tβ2之间的温度，当外层组织类型需要的厚度较小时，T采用Tβ1和Tβ2之间的温度。
本发明采用两火锻造工艺对TC4钛合金铸坯进行锻造，一方面由于设备能力的限制，大型铸锭须采用两火锻造，另外在一火锻造过程中由于温降和表面裂纹情况恶化，无法完成所需变形量的锻造，需要冷却后对表面裂纹进行修磨，再进行下一火次的锻造。
本发明第二火锻造分两次锻造操作完成，因为在第二火锻造过程中需要达到一个较大的变形量，而大变形量将会使全厚度上组织均匀化，如果不回炉再烧，无法获得较好的梯度组织，回炉再烧过程中，转变温度较低的组织将会在再烧过程中转变，而转变温度较高的组织不发生转变，从而获得梯度组织。
以下通过实施例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1
①采用电子束冷床炉熔炼(EB熔炼)TC4钛合金板坯，合金元素添加量如下：Al～7.5％；V～4.2％，获得的TC4钛合金EB坯尺寸规格为：245mm(厚)×1800mm(宽)×4200mm(长)；
②采用DSC的方法测定板坯不同厚度位置的相变温度，表面层相变温度Tβ1＝936℃，四分之一层位置相变温度Tβ2＝959℃，心部位置相变温度Tβ3＝998℃；
③将EB坯进行锯切，沿厚度中心位置平行于上下表面进行分切，锯切一块尺寸规格为120mm×800mm×1200mm的锻造坯料；
④采用两火锻造工艺对所取板坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度1150℃，终锻温度大于900℃，总变形量60％，完成后甩出清理；
⑤第二火锻造采用的加热温度为959℃，出炉后锻造累计变形量60％，锻造后板坯厚度约20mm，完成后回炉再烧，再烧温度仍然为959℃，再烧时间t＝40min；
⑥对完成再烧出炉的板坯进行锻造，锻造累计变形量20％，锻后板材厚度约16mm。
⑦对成品全厚度的组织进行检测，结果为：板材表层6～8mm的厚度范围内为魏氏组织，布氏硬度值为426HB，剩余厚度范围内为双态组织，布氏硬度值为366HB，实现了梯度组织的控制目标。
实施例2
①采用电子束冷床炉熔炼(EB熔炼)TC4钛合金板坯，合金元素添加量如下：Al～7.5％；V～4.2％，获得的TC4钛合金EB坯尺寸规格为：245mm×1800mm×4200mm；
②采用DSC的方法测定板坯不同厚度位置的相变温度，表面层相变温度Tβ1＝936℃，四分之一层位置相变温度Tβ2＝959℃，心部位置相变温度Tβ3＝998℃；
③将EB坯进行锯切，沿厚度中心位置平行于上下表面进行分切，锯切一块尺寸规格为120mm×800mm×1200mm的锻造坯料；
④采用两火锻造工艺对所取板坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度1150℃，终锻温度大于900℃，总变形量70％，完成后甩出清理；
⑤第二火锻造采用的加热温度为970℃，出炉后锻造累计变形量50％，锻造后板坯厚度约18mm，完成后回炉再烧，再烧温度仍然为970℃，再烧时间t＝40min；
⑥对完成再烧出炉的板坯进行锻造，锻造累计变形量30％，锻后板材厚度约13mm。
⑦对成品全厚度的组织进行检测，结果为：板材表层7～9mm的厚度范围内为魏氏组织，布氏硬度值为435HB，剩余厚度范围内为双态组织，布氏硬度值为370HB，实现了梯度组织的控制目标。
实施例3
①采用电子束冷床炉熔炼(EB熔炼)TC4钛合金板坯，合金元素添加量如下：Al～7.5％；V～4.2％，获得的TC4钛合金EB坯尺寸规格为：245mm×1800mm×4200mm；
②采用DSC的方法测定板坯不同厚度位置的相变温度，表面层相变温度Tβ1＝936℃，四分之一层位置相变温度Tβ2＝959℃，心部位置相变温度Tβ3＝998℃；
③将EB坯进行锯切，沿厚度中心位置平行于上下表面进行分切，锯切一块尺寸规格为120mm×800mm×1200mm的锻造坯料；
④采用两火锻造工艺对所取板坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度1150℃，终锻温度大于900℃，总变形量60％，完成后甩出清理；
⑤第二火锻造采用的加热温度为950℃，出炉后锻造累计变形量60％，锻造后板坯厚度约20mm，完成后回炉再烧，再烧温度仍然为950℃，再烧时间t＝40min；
⑥对完成再烧出炉的板坯进行锻造，锻造累计变形量30％，锻后板材厚度约14mm。
⑦对成品全厚度的组织进行检测，结果为：板材表层4～6mm的厚度范围内为魏氏组织，布氏硬度值为406HB，剩余厚度范围内为双态组织，布氏硬度值为368HB，实现了梯度组织的控制目标。

Claims (6)

1.具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
a. 采用电子束冷床炉熔炼技术制得TC4钛合金铸坯；所述TC4铸坯厚度方向Al元素含量呈现梯度分布，表面层Al含量最低，心部位置最高；
b. 测定TC4钛合金铸坯不同厚度位置的相变温度，得到表面层相变温度Tβ1，四分之一层位置相变温度Tβ2，心部位置相变温度Tβ3；其中，Tβ3＞Tβ2＞Tβ1；
c. 采用两火锻造工艺对TC4钛合金铸坯进行锻造，第一火锻造采用β相区开坯锻造，锻造加热温度控制在Tβ3+150℃，第二火锻造采用的加热温度介于Tβ3和Tβ1之间；所述第二火锻造分两次锻造操作完成，第一次锻造总变形量控制在大于50%，完成后回炉再烧，第二次锻造总变形量小于30%；两相钛合金表面形成一定厚度的魏氏组织层，内部保持双态组织；魏氏组织层的厚度为4～9mm。
2.根据权利要求1所述的具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，其特征在于：步骤a所述TC4铸坯以质量百分数计含有7%~8%Al，4.0%~4.5%V。
3.根据权利要求1所述的具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，其特征在于：步骤b采用DSC的方法测定铸坯不同厚度位置的相变温度。
4.根据权利要求1所述的具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，其特征在于：步骤c第一火锻造总变形量控制在60%以上，完成后甩出清理。
5.根据权利要求1所述的具有梯度组织的两相钛合金的制备方法，其特征在于：回炉再烧时间t/min根据板厚h/mm计算，t =（2~3）×h。
6.根据权利要求 1～5任一项所述方法制备得到的具有梯度组织的两相钛合金，其特征在于：所述两相钛合金表面形成一定厚度的魏氏组织层，内部保持双态组织；魏氏组织层的厚度为4～9mm。
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