CN111705280B - 一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件和提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金微观组织调控技术领域，尤其涉及一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件和提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法。本发明的方法包括以下步骤：将双相钛合金构件进行预热，得到预热件；所述预热的温度为400～450℃；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，冷却至室温。采用本发明的方法对双相钛合金构件进行处理，可有效降低双相钛合金构件表面交替拉压载荷过程中αp中位错的大量增殖滑移以及在αp和βtrans组织界面上的塞积，提高钛合金构件的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金微观组织调控技术领域，尤其涉及一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件和提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法。
背景技术
双相钛合金是航空航天航海领域中的重要结构件，具有密度低、强度高、耐腐蚀等特点。传统意义上双相钛合金的组织主要有三种：具有较好综合力学性能的等轴组织或双态组织(等轴组织和双态组织具有相近的组织形貌，区别仅在于等轴αp含量不同)；具有较好断裂韧性和蠕变持久性能的网篮组织；以及在钛合金β相区保温后冷却所得具有较高脆性和硬度的魏氏(片层)组织。根据构件不同的服役特点，分别有对应的热加工技术方案来获得这三种特征组织。如图1所示，(a)为等轴组织；(b)为网篮组织；(c)为魏氏(片层)组织。
其中等轴组织和双态组织具有较好的综合力学性能而在钛合金构件应用比较广泛，该组织由等轴状的初生α相(αp)和片层状的β转变组织(βtrans)所构成，兼顾了强度和塑性的协调，但其中较软的αp是受载过程中发生塑性变形的主要区域，受载过程位错在αp中开动，随后塞积于和β转变组织(βtrans)的界面，从而在该(αp/βtrans)界面产生较大的应力集中，进而诱发在组织界面上的变形、开裂。针对一些轴类钛合金构件，该现象表现的更为明显。因为轴类钛合金构件在转动过程中，从上到下一个周次表层要进行反复的压应力和拉应力变化，如图2轴件上圆点所处位置为压应力(-号为压应力)，当该圆点转动180°时，又为拉应力(+号为拉应力)，轴类零件转动过程，表面将反复承受拉压载荷，这会导致组织中的位错大量增殖，在αp和βtrans组织界面萌生裂纹并破坏，降低轴类构件的疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件和提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法，本发明的方法可有效降低双相钛合金构件表面交替拉压载荷过程中αp中位错的大量增殖滑移以及在αp和βtrans组织界面上的塞积，提高钛合金构件的疲劳寿命。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热，得到预热件；所述预热的温度为400～450℃；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，冷却至室温。
优选的，所述双相钛合金构件包括Ti6242合金构件。
优选的，所述预热的保温时间在10s以上。
优选的，所述冷却的速率小于100℃/s。
优选的，所述冷却的速率在100℃/s以上。
优选的，所述冷却至室温后，还包括对冷却后的构件进行稳定化热处理，所述稳定化热处理的温度为400～700℃，保温时间为6～10小时。
本发明提供了一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件，采用上述方案所述的方法对双相钛合金构件进行处理后得到；所述具有高疲劳寿命的双相钛合金构件从表面到心部依次为魏氏组织、过渡组织和等轴组织，或者依次为魏氏组织、过渡组织和双态组织；所述过渡组织中由表面到心部方向等轴状的初生α相含量逐渐增多。
优选的，当所述方法中的冷却速率小于100℃/s时，在过渡组织的初生α相与β转变组织的界面分布有片层β残留相，所述片层β残留相在初生α相与β转变组织之间数量呈梯度分布。
优选的，当所述方法包括稳定化热处理时，在过渡组织的初生α相与β转变组织的界面存在析出相，且析出相的数量呈梯度变化。
本发明提供了一种提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法，包括以下步骤：将双相钛合金构件进行预热，得到预热件；所述预热的温度为400～450℃；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，冷却至室温。
双相钛合金构件在等轴组织和双态组织中存在明显的等轴αp和βtrans组织界面，本发明先在400～450℃进行预热，该预热温度在单相α相区和α+β两相区附近，可以保持初生等轴αp组织无相变，且实现双相钛合金温度的均匀化，同时提前进行预热可缩短升温至β相变点以上所需的时间，以使双相钛合金迅速穿过α+β两相区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变。然后利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，本发明在较短的时间内迅速将表面温度加热至β相变点以上，使钛合金构件迅速穿过α+β两相区，避免钛合金构件的αp组织提前发生相变。本发明采用感应加热，感应加热具有趋肤效应，因此预热件从表面到心部的温度逐渐降低，配合钛合金的传热能力较差以及本发明为短时保温，因此，当预热件表面的温度达到β相变点以上0～50℃时，心部温度还处于β相变点以下，从而导致钛合金构件表面的组织发生β相变，冷却至室温后形成魏氏组织；心部由于未达到β相变点温度还保持原有的基体组织(即等轴组织或双态组织)；而从表面到心部的中间过渡区域由于发生不完全β相变，则形成过渡组织，其中，过渡组织中从表面到心部方向等轴αp含量呈梯度变化，逐渐增多。短时保温的同时，在过渡区域内，由于αp和βtrans中的溶质原子发生不均匀扩散，溶质原子在过渡区域中的等轴αp和βtrans之间形成浓度梯度，经冷却后过渡组织内的αp/βtrans界面会形成具有一定浓度梯度的组织。本发明的组织特点可有效降低双相钛合金构件表面交替拉压载荷过程中αp中位错的大量增殖滑移以及在αp和βtrans组织界面上的塞积，提高钛合金构件的疲劳寿命。
在本发明中，当短时保温后冷却的速率小于100℃/s时，经冷却后得到的构件形成的过渡组织中在初生α相与β转变组织的界面分布有片层β残留相，所述片层β残留相在初生α相与β转变组织之间数量呈梯度分布。
进一步的，本发明通过控制冷却速率在100℃/s以上，保证从表面到心部都冷却到室温，可以将扩散后的溶质原子进行快速冻结，形成马氏体，随后进行稳定化热处理，在400～700℃之间保温6～10小时，让快速冷却的、合金元素非均匀分布的马氏体组织分解成稳定的析出相，在过渡区中形成等轴α相和βtrans之间由析出相替代原组织界面的结构形态，相比冷却的速率小于100℃/s时得到的构件强度更高，疲劳寿命更长。
附图说明
图1为双相钛合金的典型组织照片；
图2为轴类钛合金构件旋转过程中拉压应力变化示意图；
图3为实施例1处理后所得钛合金构件的由表面到心部的金相照片；
图4为实施例1处理后所得钛合金构件过渡组织的SEM局部放大图；
图5为实施例2处理后所得钛合金构件的由表面到心部的SEM图；
图6为实施例2处理后所得钛合金构件不同区域的SEM局部放大图；
图7为实施例2处理后所得钛合金构件与原始Ti6242构件的疲劳寿命S-N曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热，得到预热件；所述预热的温度为400～450℃；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，冷却至室温。
本发明将双相钛合金构件进行预热，得到预热件。本发明对所述双相钛合金构件的尺寸和化学组成没有特殊要求，任意需要提高疲劳寿命的双相钛合金构件均可。在本发明中，所述双相钛合金构件优选为轴类钛合金构件。在本发明中，所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织，在等轴组织和双态组织中存在明显的等轴αp和βtrans组织界面，影响疲劳寿命。在本发明中，所述双相钛合金构件优选为Ti6242合金构件。在本发明中，所述预热的温度为400～450℃，优选为410～430℃。本发明的预热温度在双相钛合金构件的单相α相区和α+β两相区附近，可以保持初生等轴αp组织无相变，且实现双相钛合金温度的均匀化，同时提前进行预热可缩短升温至β相变点以上所需的时间，以使双相钛合金迅速穿过α+β两相区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变。
得到预热件后，本发明利用感应加热，在2～6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0～50℃且大于β相变点温度，保温10～30s，冷却至室温。
本发明对所述感应加热的具体方式没有特殊要求，采用本领域熟知的感应加热方式即可。在本发明中，所述加热的温度优选为β相变点以上10～40℃，更优选为β相变点以上20～30℃；所述保温的时间优选为15～25s，更优选为17～23s。本发明通过控制加热的温度和保温时间，可以控制过渡区的厚度；当加热的温度越高、保温时间越长时，过渡区的厚度越薄。在本发明中，自预热温度加热至β相变点以上0～50℃所需的时间优选为3～5s。本发明在较短的时间内迅速将表面温度加热至β相变点以上，使钛合金构件迅速穿过α+β两相区，避免钛合金构件的αp组织提前发生相变。
本发明采用感应加热，感应加热具有趋肤效应，因此预热件从表面到心部的温度逐渐降低，配合钛合金的传热能力较差以及本发明为短时保温，因此，当预热件表面的温度达到β相变点以上0～50℃时，心部温度还处于β相变点以下，从而导致钛合金构件表面的组织发生β相变，冷却至室温后形成魏氏组织；心部由于未达到β相变点温度还保持原有的基体组织(即等轴组织或双态组织)；而从表面到心部的中间过渡区域由于发生不完全β相变，则形成过渡组织，其中，过渡组织中从表面到心部方向等轴αp含量呈梯度变化，逐渐增多。短时保温的同时，在过渡区域内，由于αp和βtrans中的溶质原子发生不均匀扩散，溶质原子在过渡区域中的等轴αp和βtrans之间形成浓度梯度，经冷却后过渡组织内的αp/βtrans界面会形成具有一定浓度梯度的组织。本发明的组织特点可有效降低双相钛合金构件表面交替拉压载荷过程中αp中位错的大量增殖滑移以及在αp和βtrans组织界面上的塞积，提高钛合金构件的疲劳寿命。
在本发明中，所述冷却的速率优选小于100℃/s或在100℃/s以上。本发明对所述冷却的方式没有特殊要求，能够保证上述冷却速率即可。在本发明中，当所述冷却的速率小于100℃/s时，所述冷却的方式优选为压缩空气或淬火。
在本发明中，当冷却速率小于100℃/s时，经冷却后得到的构件在过渡组织的αp/βtrans界面分布有片层β残留相，所述片层β残留相在αp与βtrans之间数量呈梯度分布，具体是由βtrans向αp组织中依次递减。
当冷却速率在100℃/s以上时，本发明可以保证钛合金构件从表面到心部都冷却到室温，可以将扩散后的溶质原子进行快速冻结，形成马氏体。
在本发明中，当所述所述冷却的速率在100℃/s以上，冷却至室温后，本发明优选还包括对冷却后的构件进行稳定化热处理。
在本发明中，所述稳定化热处理的温度优选为400～700℃，更优选为500～600℃；保温时间优选为6～10小时，更优选为7～9小时。本发明经稳定化热处理后，冷却后得到的马氏体分解成稳定的析出相，在过渡区中形成等轴α相和βtrans之间由析出相替代原组织界面的结构形态，相比冷却的速率小于100℃/s时得到的构件强度更高，疲劳寿命更长。
本发明提供了一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件，采用上述方案所述的方法对双相钛合金构件进行处理后得到；所述具有高疲劳寿命的双相钛合金构件从表面到心部依次为魏氏组织、过渡组织和等轴组织，或者依次为魏氏组织、过渡组织和双态组织；所述过渡组织中由表面到心部方向等轴状的初生α相含量逐渐增多。
本发明的双相钛合金构件从表面到心部由魏氏组织逐渐过渡到基体组织(等轴组织或双态组织)，初生α相含量从表面到心部逐渐增多，呈梯度变化，可有效降低双相钛合金构件表面交替拉压载荷过程中αp中位错的大量增殖滑移以及在αp和βtrans组织界面上的塞积，提高钛合金构件的疲劳寿命。
在本发明中，当所述方法中的冷却速率小于100℃/s时，在过渡组织的αp/βtrans界面分布有片层β残留相，所述片层β残留相在αp与βtrans之间数量呈梯度分布，具体是由βtrans向αp组织中依次递减。
当所述方法包括稳定化热处理时，在过渡组织的初生α相与β转变组织的界面存在析出相，且析出相的数量呈梯度变化，从αp向βtrans组织中逐渐增多。
下面结合实施例对本发明提供的具有高疲劳寿命的双相钛合金构件及提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
以具有等轴组织的Ti6242(6Al-2Zr-4Sn-2Mo)合金构件为例，采用高频加热器将圆柱形轴类构件加热到420℃待温度均匀后，得到预热件；随后提高功率，在5秒内将预热件的表面加热到1015℃保温30s(β相变点为998℃)，然后采用压缩气体冷却，冷却速率为20℃/s，冷却后所得组织特征如图3所示。图3中，a为表层片层状魏氏组织，b～d为中间过渡组织，e为基体组织。由此在零件表面到心部形成了组织结构逐渐过渡的组织形态，其中过渡组织中原αp和βtrans组织之间的界面是模糊的，如图3的b、c和d，该过渡组织与基体e中αp和βtrans组织之间明显清晰的界面显著不同。而且，在过渡区组织的αp和βtrans组织界面形成了片层状的β残留相，如图4所示。
实施例2
与实施例1的不同之处在于冷却的速率和冷却后还包括稳定化热处理；具体的：将实施例1加热到1015℃保温30s后得到的构件进行水冷(冷却速率大于100℃/s)，并在590℃保温8小时进行稳定化热处理，即可得到表层到心部组织结构间的梯度分布如图5所示，其中a到e依次对应表层到心部的变化。
图5中，a为表层的魏氏组织，b～d为中间过渡组织，e为基体等轴组织(黑块等轴αp和βtrans组织之间具有明显的组织界面)。其中过渡区组织特征是远离表层的αp相(黑块)百分含量逐渐增加(从b到d可见)，由于高频加热的趋肤效应，靠近表面b中加热温度高，等轴αp含量少，但等轴αp和βtrans组织界面由细小梯度分布的颗粒所替代，如图6中的a所示。而靠近心部的等轴α相和βtrans组织之间由于温度较低，元素扩散不充分，还存在组织界面特征，如图6中的b所示。因此采用本发明的方法，从构件表面到心部形成了从片层魏氏组织到等轴组织的过渡形态，同时，在αp和βtrans组织之间也由原来清晰的界面变成具有析出相数量梯度分布的组织界面。
参照GB/T3075-2008.标准，对实施例2处理后的构件以及原始Ti6242构件进行疲劳性能测试，所采用的应力比R＝-1，采用不同的应力状态获得其循环寿命，将实验结果总结画出S-N曲线见图7，横坐标为循环周次，纵坐标为实验疲劳应力，当应力较大时，其循环疲劳寿命较低，随应力的降低，循环寿命逐渐增加，本次实验做到1×106循环次数。从S-N曲线中可明显看出，通过本发明处理后，在各种应力条件下，经过处理后试样循环寿命均高于未经过处理试样。
由图7的结果可知，经本发明方法对双相钛合金构件进行热处理后，由于零件表面到心部形成了组织结构逐渐过渡的组织形态，且过渡组织中原αp和βtrans组织之间的界面也具备一定的过渡形态，疲劳寿命大大提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种提高双相钛合金构件疲劳寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热，得到预热件；所述预热的温度为400~450℃；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
利用感应加热，在2~6s内将所述预热件自预热的温度加热至预热件表面的温度在β相变点以上0~50℃且大于β相变点温度，保温10~30s，冷却至室温；
所述冷却的速率大于等于20℃/s且小于100℃/s，或者所述冷却的速率在100℃/s以上；
当所述冷却的速率在100℃/s以上时，所述冷却至室温后，还包括对冷却后的构件进行稳定化热处理，所述稳定化热处理的温度为400~700℃，保温时间为6~10小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双相钛合金构件包括Ti6242合金构件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热的保温时间在10s以上。
4.一种具有高疲劳寿命的双相钛合金构件，其特征在于，采用权利要求1~3任一项所述的方法对双相钛合金构件进行处理后得到；所述具有高疲劳寿命的双相钛合金构件从表面到心部依次为魏氏组织、过渡组织和等轴组织，或者依次为魏氏组织、过渡组织和双态组织；所述过渡组织中由表面到心部方向等轴状的初生α相含量逐渐增多。
5.根据权利要求4所述的具有高疲劳寿命的双相钛合金构件，其特征在于，当所述方法中的冷却速率小于100℃/s时，在过渡组织的初生α相与β转变组织的界面分布有片层β残留相，所述片层β残留相在初生α相与β转变组织之间数量呈梯度分布。
6.根据权利要求4所述的具有高疲劳寿命的双相钛合金构件，其特征在于，当所述方法包括稳定化热处理时，在过渡组织的初生α相与β转变组织的界面存在析出相，且析出相的数量呈梯度变化。
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