CN110592509B - 一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法，包括以下步骤：(1)将轧制退火态的钛合金切割成片状钛合金，该片状钛合金为α+β型钛合金；(2)将片状钛合金进行表面打磨去除表面氧化物或异物，然后将钛合金片放入充氩气保护的管式炉内进行850～950℃、1～1.5h固溶处理后水冷至室温；(3)将步骤(2)得到的片状钛合金利用电脉冲装置进行脉冲电流处理，其参数为频率为50HZ,电压为5～6V,电流密度为5×107～7×107A/m2,处理时间毫秒级单位，电极之间的间距为30～40mm，随后水冷至室温；(4)将脉冲电流处理后的片状钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行510～540℃，1～1.5h小时的人工时效处理。优点是在不改变钛合金成分体系的条件下大幅提高钛合金强度且保持其塑性。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工和制备技术领域，主要应用于Ti-6Al-4V钛合金的强韧化处理。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐高温及生物相容性好等诸多优点，广泛应用于航天航空、石油化工和生物医学等许多重要领域。其中Ti-6Al-4V(TC4)是α+β型钛合金，属于中等强度钛合金，该合金的组织及性能比较稳定，适合大规模生产，是目前应用最为广泛的一种钛合金。近年来，航空航天领域出于飞机结构件、紧固件轻量化的需要，对TC4钛合金的强度和塑性提出了更高的要求，而对于α+β型钛合金，传统热处理工艺主要包括形变热处理和固溶时效处理。但钛合金的变形抗力大，变形温度高，加工温度范围较窄，导致形变热处理的使用率不高；固溶时效处理作为钛合金的一种有效强化手段，其目的是析出平衡的α相和β相从而产生沉淀强化，提高钛合金的强度。但是这两种热处理方法都存在着长时间高温停留导致的组织粗大问题，无法实现钛合金的超高强度化，其抗拉强度一直在800～1200MPa范围内波动。因此，在不改变钛合金成分体系的条件下开发一种大幅提高钛合金强度且保持其塑性的新型热处理工艺是钛合金发展的必然趋势。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法，该方法在不改变钛合金成分体系的条件下大幅提高钛合金强度且保持其塑性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：
(1)将轧制退火态的钛合金切割成片状钛合金；
(2)将片状钛合金进行表面打磨去除表面氧化物或异物，然后将钛合金片放入充氩气保护的管式炉内进行850～950℃、1～1.5h固溶处理后水冷至室温；
(3)将步骤(2)得到的片状钛合金利用电脉冲装置进行脉冲电流处理，其参数为频率为50HZ,电压为5～6V,电流密度为5×107～7×107A/m2,处理时间毫秒级单位，电极之间的间距为30～40mm，随后水冷至室温；
(4)将脉冲电流处理后的片状钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行
510～540℃，1～1.5h小时的人工时效处理。
进一步设置是所述的钛合金其按照重量百分比含量含有：Al：6.82％，V：4.02％，Fe：0.15％，O：0.12％，C：0.02％，N：0.02％，H：0.006％，Ti余量。
进一步设置是所述步骤(2)打磨为依次用60#、400#、800#砂纸打磨。
本发明通过引入脉冲电流处理(EPT)并结合固溶时效处理实现了Ti-6Al-4V合金性能极限的突破(强度超过1400MPa，塑性超过10％)。
本发明提供了一种钛合金强韧化处理方法，使得其在强度提高的同时(超过1400MPa),其塑性仍能保持在较高水平(超过10％)。这个结果突破了传统热处理方法所能达到的钛合金强度极限，为提高合金性能提供了新的途径。轧制退火态TC4钛合金经过固溶处理后，部分α相向β相转变，得到典型的等轴组织：包括α相，马氏体(α')，次级α相(αs)和少量亚稳β相(β')，并且α团簇中含有大量取向相同的细针状α相。随后在EPT处理过程中，快速升温时，降低形核势垒，促进α/α'相向β相转变，β稳定元素发生扩散，形成更多的β相形核位点，快速冷却至室温时，β相向α'相转变，体积发生膨胀，未来得及发生转变的β相保留下来，在随后的人工时效过程中，α'分解形成更多细小弥散的β相，同时位错密度增加，使得钛合金的强度显著提高，塑性仍保持在较高水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明专利中所述采用脉冲电流处理原理示意图；
图2为本发明专利中采用900℃固溶处理后获得的钛合金组织形貌；
图3为本发明专利中采用900℃固溶处理后获得的钛合金组织透射电镜照片；
图4为本发明专利中采用900℃固溶，460ms脉冲电流处理后获得的钛合金组织形貌；
图5为本发明专利中采用900℃固溶，460ms脉冲电流处理后获得的钛合金组织透射电镜照片；
图6本发明专利中采用900℃固溶，530℃时效处理与采用900℃固溶，460ms脉冲电流，530℃时效处理后获得的钛合金力学性能曲线；
图7为本发明专利中在脉冲电流作用下合金元素扩散和相变的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图1-7所示，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
(1)本发明专利中使用的是轧制退火态(厚度为2.3～2.6mm)Ti-6Al-4V合金，其按照重量百分比含量含有：Al：6.82％，V：4.02％，Fe：0.15％，O：0.12％，C：0.02％，N：0.02％，H：0.006％，Ti余量。将钛合金用电火花线切割机床切割成45mm×10mm×5mm片状试样。
(2)先将片状试样表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物。然后将片状试样放入充氩气保护的管式炉内进行900℃，1h固溶处理后水冷至室温。
(3)将(2)中的片状钛合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行脉冲电流处理，其频率为50HZ,电压为5V,电流密度为5.6×107A/m2,处理时间为460ms，试样有效处理长度(即电极之间的间距)为35mm,随后水冷至室温。
(4)将脉冲电流处理后的TC4钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行530℃，1h的人工时效处理。
该实例采用脉冲电流处理与传统热处理相结合的方式对钛合金进行处理，所获得的钛合金的力学性能(图6)：抗拉强度1463MPa，塑性14.3％，屈服强度1261MPa。在图4中可以观察到，进行脉冲电流处理过后的试样显微组织，α'的含量明显增加，表明EPT处理试样时温度(460ms)高于900℃，而且β相的含量随温度的升高而增加。在脉冲电流处理作用下，降低了形核势垒，产生了更多的形核位点，同时产生了更多的位错,所以经过脉冲电流处理后(图5)的板条马氏体和经过530℃时效处理后的试样微观结构发生了明显的细化。
实施例2
(1)本发明专利中使用的是轧制退火态(厚度为2.3～2.6mm)Ti-6Al-4V合金，其按照重量百分比含量含有：Al：6.82％，V：4.02％，Fe：0.15％，O：0.12％，C：0.02％，N：0.02％，H：0.006％，Ti余量。将钛合金用电火花线切割机床切割成45mm×10mm×5mm片状试样。
(2)先将片状试样表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物。然后将片状试样放入充氩气保护的管式炉内进行950℃，1h固溶处理后水冷至室温。
(3)将(2)中的片状钛合金利用可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行脉冲电流处理，其频率为50HZ,电压为5V,电流密度为5.6×107A/m2,处理时间为320ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为35mm,随后水冷至室温。
(4)将脉冲电流处理后的TC4钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行530℃，1h的人工时效处理。
该实例采用脉冲电流处理与传统热处理相结合的方式对钛合金进行处理，所获得的钛合金的力学性能：抗拉强度1315MPa，塑性14.8％，屈服强度1221MPa
实施例3
(1)本实施例2中使用的是轧制退火态(厚度为2.3～2.6mm)Ti-6Al-4V合金，其按照重量百分比含量含有：Al：6.82％，V：4.02％，Fe：0.15％，O：0.12％，C：0.02％，N：0.02％，H：0.006％，Ti余量。将钛合金用电火花线切割机床切割成45mm×10mm×5mm片状试样。
(2)先将片状试样表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物。然后将片状试样放入充氩气保护的管式炉内进行900℃，1h固溶处理后水冷至室温。
(3)将(2)中的片状钛合金利用可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行脉冲电流处理，其频率为50HZ,电压为5V,电流密度为5.6×107A/m2,处理时间为280ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为35mm,随后水冷至室温。
(4)将脉冲电流处理后的TC4钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行530℃，1h的人工时效处理。
该实例采用脉冲电流处理与传统热处理相结合的方式对钛合金进行处理，所获得的钛合金的力学性能：抗拉强度1205MPa，塑性17.9％，屈服强度1181MPa
实施例4
(1)本发明专利中使用的是轧制退火态(厚度为2.3～2.6mm)Ti-6Al-4V合金，其按照重量百分比含量含有：Al：6.82％，V：4.02％，Fe：0.15％，O：0.12％，C：0.02％，N：0.02％，H：0.006％，Ti余量。将钛合金用电火花线切割机床切割成45mm×10mm×5mm片状试样。
(2)先将片状试样表面依次用60#、400#、800#砂纸打磨平整，去除表面氧化物或异物。然后将片状试样放入充氩气保护的管式炉内进行850℃，1h固溶处理后水冷至室温。
(3)将(2)中的片状钛合金利用自制的可控硅电流放大电路的电脉冲装置进行脉冲电流处理，其频率为50HZ,电压为5V,电流密度为5.6×107A/m2,处理时间为460ms,试样有效处理长度(即电极之间的间距)为35mm,随后水冷至室温。
(4)将脉冲电流处理后的TC4钛合金用氩气气氛保护的管式炉进行530℃，1h的人工时效处理。
本发明专利中TC4钛合金获得超高强度和塑性的原理机制如图7所示，由图4可以看到只有部分α'相变可以转变为β相，表明EPT处理温度没有超过β相转变临界值。固溶处理后的钛合金组织中，由于在晶界/相界处的溶质含量较高，所以经过EPT处理时，溶质含量较高的区域温度升高速度较快，该区域优先发生马氏体相变。与此同时，α'和α周围少量的β相由于固溶度差异(β相具有比α'/α更高的固溶度)，加上α'处于亚稳定过饱和状态，所以β相稳定元素(Fe是强大的β稳定元素)会从其他相内扩散到β相中，这将导致β相与α'/α之间产生更大溶质浓度梯度差，从而加速β稳定元素的扩散速度。根据相变原理，当试样冷却至室温后，具有高β稳定元素含量的区域将在较低温度下发生β→α'转变，同时，由于先发生β→α'转变的区域发生了体积膨胀，从而限制后续β相转变。在以上的综合作用下使得β相(高β稳定元素含量)可以在冷却至室温后保留下来，同时，微观结构在此过程中得到细化。因此，随后的人工时效过程中得到了较多的弥散时效β相，加上EPT过程中产生很多的位错，使得TC4钛合金具有超高强度和良好的塑性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将轧制退火态的钛合金切割成片状钛合金，该片状钛合金为α+β型钛合金；
（2）将片状钛合金进行表面打磨去除表面氧化物或异物，然后将钛合金片放入充氩气保护的管式炉内进行固溶处理后水冷至室温；
（3）将步骤（2）得到的片状钛合金利用电脉冲装置进行脉冲电流处理，随后水冷至室温；
（4）将脉冲电流处理后的片状钛合金放入氩气气氛保护的管式炉中进行人工时效处理；
步骤（2）中的参数为850~950℃、1~1.5h；
将步骤（3）中的脉冲电流处理的参数为频率为50 Hz , 电压为5~6 V,电流密度为5×107~7×107 A/m2, 处理时间毫秒级单位，电极之间的间距为30~40 mm；
步骤（4）中的人工时效处理的参数为510~540℃，1~1.5h小时。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法，其特征在于：所述的钛合金其按照重量百分比含量含有：Al：6.82% ， V：4.02%，Fe：0.15%，O：0.12%，C：0.02%，N：0.02%，H：0.006%，Ti余量。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电流的钛合金强韧化处理方法，其特征在于：所述步骤（2）打磨为依次用60#、400#、800#砂纸打磨。
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| "异步热轧及热处理对钛合金TC4 组织和力学性能的影响";白小雷 等;《热加工工艺》;20150430;第44卷(第7期);第44-46,50页 * |
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| CN110592509A (zh) | 2019-12-20 |
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