CN110923598A - 一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺 - Google Patents

一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明是一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，该工艺首先在Tβ‑50℃≤T≤Tβ‑10℃保温，保温时间t(min)＝η×δmax，δmax为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，加热系数η的取值为0.5～1.5min/mm；随后出炉空冷或风冷或水冷至室温；然后将冷却后的锻件在520℃≤T≤560℃保温，保温时间t为20min≤t≤1.5h；随后出炉空冷至室温；然后将冷却后的锻件随炉缓慢加热至480℃≤T≤540℃，加热升温速率控制在5℃/min以内，保温时间t为6h≤t≤12h；随后随炉冷却或出炉空冷至室温。该工艺适合用于近β型、亚稳β型超高强韧钛合金热处理，以获得所需的超高强度(Rm≥1500MPa)、高塑性(A≥5％)、高韧性(KⅠC≥45MPa·m1/2)的高综合性能的具有多尺度析出相的组织，满足飞机所需的具有超高强韧性匹配的重要承力结构件。

Description

一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺
技术领域
本发明是一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，属于材料热处理技术领域。
背景技术
过去，在以强度设计和刚度设计思想指导下，钛合金经历了从低强度、中强度到高强度和超高强度的发展历程。在这个发展过程中，钛合金强韧化热处理工艺虽然一直是人们努力的方向，但常规热处理难以解决高强度－高塑性－高断裂韧性等之间的最佳匹配问题。一般的情形是，当获得高强度的情况下(例如采用500℃以下的低温时效工艺)，难以同时获得高塑性和高断裂韧性的锻件。在传统设计思路和常规工艺技术条件下，钛合金的高强度/超高强度－高塑性－高韧性的最佳匹配在实际应用中难以突破。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其目的是使钛合金锻件具有超高强度-高塑性-高韧性的最佳匹配。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺的步骤如下：
步骤一、将钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T1为Tβ-50℃≤T1≤Tβ-10℃，Tβ为钛合金β相转变温度；炉子再次到达设定的加热温度后，记录保温时间t1，保温时间t1＝η×δmax，δmax为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，加热系数η的取值为0.5～1.5min/mm；
步骤二、将钛合金锻件出炉空冷、水冷或风冷，冷却至室温；
步骤三、将冷却后的钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T2为520℃≤T2≤560℃，炉子再次到达设定的加热温度后，记录保温时间t2；
步骤四、将钛合金锻件出炉空冷至室温；
步骤五、将冷却后的钛合金锻件放入电阻炉有效工作区内随炉缓慢加热，加热升温速率控制在5℃/min以内，加热温度T3为480℃≤T3≤540℃，炉子到达设定的加热温度后，记录保温时间t3；
步骤六、将钛合金锻件随炉冷却或出炉空冷，冷却至室温。
进一步，所述电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±5℃。
进一步，保温时间t2为20min≤t2≤1.5h；保温时间t3为6h≤t3≤12h。
本发明具有的优点和有益效果：
本发明技术方案与一般的钛合金固溶+时效热处理工艺单纯追求高强度不同，针对析出响应较快的近β型或亚稳β型钛合金，提出一次固溶+二次时效的工艺路线，其中，第一次的高温短时时效可部分析出长径比大的次生α相，第二次的低温缓慢加热的长时时效工艺可使ω相在晶内均匀形核，再转变为细小弥散分布的次生α相，使得在晶内形成两种形态的次生α相。
本发明技术方案的设计是建立在对时效温度和时间、升温速率对相变规律的影响的基础上，提出了精确控制析出相形态的概念，使不同长径比的次生α相分级析出，以达到1500MPa更高强度和高韧性的匹配。在相变点以下固溶可以使得较小的β晶粒尺寸，提高合金的强度水平。上述第一次的高温短时时效中，使长径比≥10的次生α相的析出量达20％～40％，确保高韧性，如图1所示，；第二次的低温缓慢加热的长时时效的加热升温速率控制在5℃/min以内，使ω相作为中间相在晶内充分、均匀析出，为后续转变为细小次生α相，如图2所示，且均匀分布提供形核位置；而正常的电炉不加控制时升温速率均在10℃/min以上，无法使ω相充分形核，从而使次生α相分布不均匀，不够细小，难以达到1500MPa的超高强度。
本发明工艺所针对的近β型和亚稳β型超高强韧钛合金能够获得所需的超高强度(Rm≥1500MPa)、高塑性(A≥5％)、高韧性(KⅠC≥45MPa·m1/2)的高综合性能的具有多尺度析出相的组织，满足飞机所需的具有超高强韧性匹配的重要承力结构件。
附图说明
图1为长径比大的次生α相示意图
图2为长径比小的次生α相示意图
图3是本发明实施例1的Ti-1500钛合金锻件的显微组织20000×。
图4是本发明实施例2的Ti-5432钛合金锻件的显微组织20000×。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步地详述：
实施例1：
采用本发明热处理工艺对Ti-1500钛合金锻件进行加工的步骤如下：
(1)将Ti-1500钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T1为Tβ-30℃，炉子再次到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t1(min)＝η×δmax，δmax为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，加热系数η的取值为1min/mm；
(2)将按步骤(1)加热保温后的锻件出炉风冷，冷却至室温；
(3)将按步骤(2)冷却后的锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T2为540℃，炉子再次到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t2为40min；
(4)将按步骤(3)加热保温后的锻件出炉空冷，冷却至室温；
(5)将按步骤(4)冷却后的锻件放入电阻炉有效工作区内随炉缓慢加热，加热升温速率控制在3℃/min，加热温度T3为500℃，炉子到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t3为8h；
(6)将按步骤(5)加热保温后的锻件出炉空冷，冷却至室温。
Ti-1500钛合金锻件采用上述高低温时效热处理工艺后的显微组织具有球状α相、片层α相、纳米和微米级别的α相，是一种多尺度相混合的显微组织，如图3所示，力学性能具有超高强度-高塑性-高韧性匹配，见表1。与原有单重固溶时效相比，在强度和塑性水平相当的前提下，断裂韧性提高了30％。
表1 Ti-1500钛合金锻件力学性能
Figure BDA0002304852940000041
实施例2：
采用本发明热处理工艺对Ti-5432钛合金锻件进行加工的步骤如下：
(1)将Ti-5432钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T1为Tβ-50℃，炉子再次到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t1(min)＝η×δmax，δmax为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，加热系数η的取值为1.5min/mm；
(2)将按步骤(1)加热保温后的锻件出炉空冷，冷却至室温；
(3)将按步骤(2)冷却后的锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T2为560℃，炉子再次到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t2为30min；
(4)将按步骤(3)加热保温后的锻件出炉空冷，冷却至室温；
(5)将按步骤(4)冷却后的锻件放入电阻炉有效工作区内随炉缓慢加热，加热升温速率控制在5℃/min，加热温度T3为480℃，炉子到达设定的加热温度后，计算保温时间，保温时间t3为12h；
(6)将按步骤(5)加热保温后的锻件随炉冷却至室温。
Ti-5432钛合金锻件采用上述高低温时效热处理工艺后的显微组织具有球状α相、片层α相、纳米和微米级别的α相，是一种多尺度相混合的显微组织，如图4所示，。力学性能具有超高强度-高塑性-高韧性匹配见表2。与原有单重固溶时效相比，在强度和塑性水平相当的前提下，断裂韧性提高了35％。
表2 Ti-5432钛合金锻件力学性能
Figure BDA0002304852940000051

Claims (8)

1.一种提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：该工艺的步骤如下：
步骤一、将钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T1为Tβ-50℃≤T1≤Tβ-10℃，Tβ为钛合金β相转变温度；炉子再次到达设定的加热温度后，记录保温时间t1，保温时间t1＝η×δmax，δmax为锻件的最大截面厚度，单位为：mm，η为加热系数，加热系数η的取值为0.5～1.5min/mm；
步骤二、将钛合金锻件出炉空冷、水冷或风冷，冷却至室温；
步骤三、将冷却后的钛合金锻件放在到达加热温度后的电阻炉有效工作区内加热，加热温度T2为520℃≤T2≤560℃，炉子再次到达设定的加热温度后，记录保温时间t2；
步骤四、将钛合金锻件出炉空冷至室温；
步骤五、将冷却后的钛合金锻件放入电阻炉有效工作区内随炉缓慢加热，加热升温速率控制在5℃/min以内，加热温度T3为480℃≤T3≤540℃，炉子到达设定的加热温度后，记录保温时间t3；
步骤六、将钛合金锻件随炉冷却或出炉空冷，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：所述电阻炉内有效工作区的最大温度偏差不大于±5℃。
3.根据权利要求1所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：步骤三中，保温时间t2为20min≤t2≤1.5h。
4.根据权利要求1所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：步骤五中，保温时间t3为6h≤t3≤12h。
5.根据权利要求1所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：所述钛合金为Ti-1500钛合金。
6.根据权利要求5所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：步骤一中的T1为Tβ-30℃，加热系数η的取值为1min/mm；步骤三中的加热温度T2为540℃，保温时间t2为40min；步骤五中的加热温度T3为500℃，保温时间t3为8h。
7.根据权利要求1所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：所述钛合金为Ti-5432钛合金。
8.根据权利要求7所述的提高近β型或亚稳β型钛合金强韧性的热处理工艺，其特征在于：步骤一中的T1为Tβ-50℃，加热系数η的取值为1.5min/mm；步骤三中的加热温度T2为560℃，保温时间t2为30min；步骤五中的加热温度T3为480℃，保温时间t3为12h。
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