CN111455295A - 一种钛合金的应力时效热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明一种钛合金的应力时效热处理工艺，属于钛合金热处理技术领域；工艺步骤包括对近β钛合金Ti‑7333试样进行固溶处理→水中淬火→应力时效处理→水中淬火，最后得到应力时效态钛合金，在近β钛合金的传统固溶‑时效处理中引入外加弹性拉、压应力，使热处理过程转变为固溶‑应力时效处理，在弹性应力水平σ作用下即可实现对近β钛合中α析出相显微组织特征的进一步精确调整与传统热处理工艺相比，应力时效后近β钛合金Ti‑7333中的α析出相出现明显的择优取向特征，且分布密集，从而提高近β钛合金Ti‑7333的强度。

Description

一种钛合金的应力时效热处理工艺

技术领域

本发明属于钛合金热处理技术领域，具体涉及一种钛合金的应力时效热处理工艺。

背景技术

航空工业是钛及钛合金发展的主要动力，钛及钛合金的应用水平体现了航空工业的综合实力。近β钛合金由于具有高比强度、高损伤容限、优异的塑性加工能力、低成本以及优良的焊接性等综合性能而成为近年来世界各国的研究热点。按照亚稳状态下的相组织和β稳定元素含量可以将其分为α型、近α型、α+β型、近β型、亚稳β型和稳定β型钛合金，相对于α+β型钛合金，近β型和亚稳β型钛合金中含有较多的β稳定元素，β相可以在室温时稳定存在，且可在随后的热处理过程中转化为α相，从而具有高的时效强化效应，获得深淬透性及良好的强度、塑性和断裂韧性匹配，是发展高强度钛合金的最佳选择。Ti-7333合金是在跟踪国外高强钛合金材料研究的基础上，采用第一性原理计算(EMTO-CPA方法)、Mo当量、d电子理论、密度校核相结合的方法开发的一种具有自主知识产权的新型近β航空结构钛合金，其名义成分为： Ti-7Mo-3Nb-3Cr-3Al，[Mo]_eq：9.64，Ti-7333合金经铸锭熔炼、开坯锻造、棒材轧制后各规格棒材经固溶时效处理后，室温抗拉强度基本大于1400MPa，伸长率基本大于8％，相比同类型合金Ti-7333合金具有相近或者更优越的综合性能。通过调整热加工及热处理工艺，可以获得具有片层组织的Ti-7333合金，其强度保持在1000MPa水平的同时断裂韧性高达140MPa·m^1/2以上，是作为高强钛合金承力构件的理想材料，具有极大的开发潜力和应用前景。

钛合金的性能可在较大范围内调整归因于其显微组织尤其是α析出相的尺寸、形貌、分布和体积分数的多样性，热加工及热处理工艺过程涉及外加应力场、温度场及材料内部溶质场的耦合作用，可以实现对α析出相的调控。然而，传统的变形+后续热处理工艺难以实现对钛合金显微组织的进一步精确调控。应力时效工艺过程将应力场与温度场相结合，在实现构件精确成型的同时通过控制相变过程获得更加理想的微观组织特征及综合力学性能。在热处理过程中同时施加弹性应力场，能够改变形核区的应力场，改变原子扩散速率，引起微观缺陷的增殖，进而导致析出相的种类、生长机制和界面结构的不同。

在申请号为201210343128.9的中国发明专利中介绍了一种钛合金固溶+时效的热处理工艺，优化了合金力学性能。申请号为200910073419.9的中国发明专利公开了一种通过两步骤热处理获得三态组织的工艺。期刊论文Improving mechanical properties ofnear beta titanium alloy by high-low duplex aging(Materials Science andEngineering A，2019，754:702-707.)介绍了一种近β钛合金的高- 低双重时效热处理工艺，可以有效提高强度并减小塑性的恶化。但以上钛合金热处理工艺相关专利及论文均不涉及外加应力场的作用，没有通过将热场和应力场相耦合实现对钛合金微观组织的调控。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种钛合金的应力时效热处理工艺，通过在时效过程中引入外加弹性应力场的方式对近β钛合金中析出的α相进行尺寸、分布及形貌的调控。

本发明的技术方案是：一种钛合金的应力时效热处理工艺，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：对近β钛合金Ti-7333试样进行固溶处理；所述固溶处理的温度T₁为近β钛合金Ti-7333相变点温度T_β附近-50℃～50℃，即T₁＝T_β-50℃～T_β+50℃；保温时间为t1， t1＝[d×0.6+15]min～[d×0.6+55]min，d为近β钛合金Ti-7333试样的横截面直径，单位为mm；

步骤二：将步骤一处理后的近β钛合金Ti-7333试样从热处理炉中取出放入水中淬火，用于淬火的水温为15℃～25℃；

步骤三：对步骤二中水冷后，使亚稳定β相得以保留的近β钛合金Ti-7333试样进行应力时效处理；应力时效温度T₂＝400℃～700℃，时效时间为t2＝30min～180min，对所述试样施加的应力状态为拉应力或者压应力，应力水平σ＝0MPa～100MPa；

步骤四：将步骤三处理后的所述试样放入水中淬火，用于淬火的水温为15℃～25℃，得到应力时效态钛合金。

本发明的进一步技术方案是：所述近β钛合金Ti-7333相变点温度T_β为850℃。

本发明的进一步技术方案是：所述应力水平σ低于时效温度点近β钛合金Ti-7333的蠕变强度。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中的应力时效温度T₂为600℃～700℃，时效时间t2为30min～60min，应力水平σ为0MPa～50MPa。

有益效果

本发明的有益效果在于：通过本发明为钛合金提供一种新型的热处理工艺，在近β钛合金的传统固溶-时效处理中引入外加弹性拉、压应力，使热处理过程转变为固溶 -应力时效处理，在弹性应力水平σ作用下即可实现对近β钛合中α析出相显微组织特征的进一步精确调整与传统热处理工艺相比，应力时效后近β钛合金Ti-7333中的α析出相出现明显的择优取向特征，且分布密集，从而提高近β钛合金Ti-7333的强度；参照附图中照片和表中参数，其屈服强度均有显著提高；另外，相比传统固溶时效热处理工艺相比，应力时效热处理时间t2更短，可以有效缩短工艺周期，节约经济成本。

附图说明

图1是施例一600℃不同工艺时效后Ti-7333合金显微组织照片；

图2是施例一600℃不同工艺时效60min后Ti-7333合金压缩性能表；

图3是施例二700℃不同工艺时效后Ti-7333合金显微组织照片；

图4是施例二700℃不同工艺时效60min后Ti-7333合金压缩性能表。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

对近β钛合金Ti-7333进行固溶处理，具体固溶处理制度为：900℃保温30min 后水淬，所述固溶处理完成后近β钛合金Ti-7333具有全β等轴组织。之后在600℃的温度下分别进行常规时效及应力时效，所述应力时效制度为：时效温度600℃，时效时间60min，应力状态为压应力，应力水平为20MPa。所述常规时效制度除未施加应力，其余工艺参数同上。不同工艺时效后Ti-7333合金显微组织如图1所示，其中(a) 为常规时效处理后近β钛合金Ti-7333的显微组织，(b)为压应力时效处理后近β钛合金Ti-7333的显微组织。

如图1所示，600℃时效60min后Ti-7333合金呈现出典型的网篮组织的特征，其中析出的针状α相长宽比数值很大，即α析出相片层又长又细。从图中可以看出：无应力状态下，Ti-7333合金中的部分α相片层互呈60°呈现出等边三角形的特征，其余α相片层虽然未表现出等边三角形团簇的形貌，但相邻两α相片层仍然保持60°角的关系，如图1(a)；而施加20MPa拉应力后，虽然仍有部分α相片层组成的三角形团簇残留，但是大部分α相片层只保留了互呈60°角的关系，且特定方向上的α相片层长度明显大于其他两方向上的α片层长度，如图1(b)，显微组织特征呈现出一定的择优取向效应。

600℃不同工艺时效后Ti-7333合金压缩性能如图2所示，施加外加应力后Ti-7333合金强度略有上升，其中屈服强度从967MPa上升到1148MPa，屈服强度提升近18.7％；塑性略有降低，试样断后伸长率从21.8％减小到21.2％，塑性只降低近3％。通过改变传统的时效工艺，能够显著提高近β钛合金Ti-7333的强度。

实施例二：

对近β钛合金Ti-7333进行固溶处理，具体固溶处理制度为：900℃保温30min 后水淬，所述固溶处理完成后近β钛合金Ti-7333具有全β等轴组织。之后在700℃的温度下分别进行常规时效及应力时效，所述应力时效制度为：时效温度700℃，时效时间60min，应力状态为压应力及拉应力，应力水平为20MPa及50MPa。所述常规时效制度除未施加应力，其余工艺参数同上。不同工艺时效后Ti-7333合金显微组织如图3所示，其中(a)为常规时效处理后近β钛合金Ti-7333的显微组织，(b)为20MPa 压应力时效处理后近β钛合金Ti-7333的显微组织，(c)为20MPa拉应力时效处理后近β钛合金Ti-7333的显微组织，(d)为50MPa压应力时效处理后近β钛合金Ti-7333 的显微组织.

从图3(a)中可以看出700℃常规时效60min后近β钛合金Ti-7333中α析出相片层在不同的β晶粒中呈现出不同的特征：有α相片层互呈60°呈现出等边三角形的特征，如图3(a-1)所示；也有长度基本一致的α相片层从星型团簇的中心向外放射状发散，且相邻两α相之间的夹角仍保持近似60°的关系，如图3(a-2)所示，Ti-7333 合金呈现为网篮组织特征。

施加20MPa压应力时效后，Ti-7333合金的显微组织发生了显著的变化：在外加应力的作用下，有的β晶粒内部出现大量小角晶界，且α析出相组成等边三角形的特征消失，α析出相互相垂直，且沿某一方向上α析出相尺寸显著增加，如图3(b-1) 所示；而在其它β晶粒中，发现星型团簇型α相的特征有所保留，相邻两α相之间的夹角仍保持近似60°的关系，但沿某一方向上α析出相尺寸也显著增加，如图3(b-2) 所示，显微组织特征呈现出一定的择优取向效应。图3(c)为施加20MPa拉应力时效后近β钛合金Ti-7333的显微组织特征，从图3(c-1)中可以看出，在施加了20MPa 拉应力时效后，Ti-7333合金中析出的短棒状α相之间呈现出互呈60°角的取向特征，这是因为在拉应力作用下，被选择的α相变体惯习面之间夹角约为60°；20MPa拉应力时效后星型团簇型α相的特征近乎消失，如图3(c-2)所示。施加50MPa压应力时效后，Ti-7333合金也呈现出比较明显的择优取向及变体选择现象。

700℃不同工艺时效后Ti-7333合金压缩性能如图4所示，施加外加应力后Ti-7333合金强度显著增加，屈服强度从1034MPa上升到1250MPa，屈服强度提升近20.9％；塑性降低，出现这种现象的原因在于700℃压应力时效后，Ti-7333合金显微组织类型从网篮组织转化为近魏氏体组织。但是压缩性能数据显示，通过应力时效热处理工艺的采用，近β钛合金Ti-7333的强度能够显著提高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种钛合金的应力时效热处理工艺，其特征在于具体步骤如下：

步骤一：对近β钛合金Ti-7333试样进行固溶处理；所述固溶处理的温度T₁为近β钛合金Ti-7333相变点温度T_β附近-50℃～50℃，即T₁＝T_β-50℃～T_β+50℃；保温时间为t1，t1＝[d×0.6+15]min～[d×0.6+55]min，d为近β钛合金Ti-7333试样的横截面直径，单位为mm；

步骤二：将步骤一处理后的近β钛合金Ti-7333试样从热处理炉中取出放入水中淬火，用于淬火的水温为15℃～25℃；

步骤三：对步骤二中水冷后，使亚稳定β相得以保留的近β钛合金Ti-7333试样进行应力时效处理；应力时效温度T₂＝400℃～700℃，时效时间为t2＝30min～180min，对所述试样施加的应力状态为拉应力或者压应力，应力水平σ＝0MPa～100MPa；

步骤四：将步骤三处理后的所述试样放入水中淬火，用于淬火的水温为15℃～25℃，得到应力时效态钛合金。

2.根据权利要求1所述钛合金的应力时效热处理工艺，其特征在于：所述近β钛合金Ti-7333相变点温度T_β为850℃。

3.根据权利要求1所述钛合金的应力时效热处理工艺，其特征在于：所述应力水平σ低于时效温度点近β钛合金Ti-7333的蠕变强度。

4.根据权利要求1所述钛合金的应力时效热处理工艺，其特征在于：所述步骤三中的应力时效温度T₂为600℃～700℃，时效时间t2为30min～60min，应力水平σ为0MPa～50MPa。

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