CN111826594A - 一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金 - Google Patents

一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金，属于钛合金领域。本发明将电弧增材制造高强钛合金进行第一热处理后，第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；然后第二冷却至室温，再升温至第三热处理的温度进行第三热处理；第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上10～30℃，时间为15～30min；第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，时间为1h；第三热处理的温度为500～550℃，时间为4～6h。本发明提供的热处理方法处理后的高强钛合金在晶界处产生“羽毛状”晶界α相，阻止了拉伸过程中的沿晶断裂，可去除钛合金中的残余应力。

Description

一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高 强钛合金
技术领域
本发明属于钛合金领域，尤其涉及一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金。
背景技术
钛合金作为一种密度低、中高温强度高、具有优良综合力学性能的材料，具有极其广阔的应用前景，是航空航天工业中十分重要的结构材料。传统的钛合金锻件工艺材料利用率低，且生产周期长、制造工艺复杂，使用增材制造技术可以直接实现材料的近净成形，减少了制造时间，节约了生产成本，其中电弧增材制造技术主要应用于成形复杂的大型结构件。
利用电弧增材制造技术成形的高强钛合金，在以电弧为热源对丝材逐渐熔化沉积的过程中，由于复杂的热循环过程，在钛合金组织内部产生了残余应力，导致钛合金材料具有较低的强度和较差的低塑性等，综合力学性能下降。
现有技术通常通过热处理的方法来提高钛合金的力学性能，但是现有的热处理方法通常是针对钛合金铸件和锻件的，钛合金的锻件和铸件的组织一般均为等轴组织，晶粒较小，热处理过程通常在α相区进行，且机理是通过热处理，打断连续的晶界，以提高力学性能；而电弧增材制造得到钛合金的过程中，由于逐层搭接过程中的凝固和重熔，会产生“竹节状”的β晶粒，晶粒尺寸较大，因此，电弧增材制造得到的钛合金的组织与常规的钛合金铸件和锻件的组织并不相同，钛合金铸件和锻件的热处理工艺不适用于电弧增材制造所得高强钛合金。现有技术未见有适用于电弧增材制造所得高强钛合金的热处理方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金，本发明提供的热处理方法能够有效去除电弧增材制造高强钛合金中的残余应力，提高钛合金的综合力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
将电弧增材制造高强钛合金进行第一热处理后，第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；将所述第二热处理所得高强钛合金第二冷却至室温，然后再升温至第三热处理的温度进行第三热处理；
所述电弧增材制造高强钛合金的材质为α+β型高强钛合金；
所述第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上10～30℃，时间为15～30min；
所述第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，时间为0.8～1.2h；
所述第三热处理的温度为500～550℃，时间为4～6h。
优选地，所述第一冷却的冷却速率为6～9℃/min。
优选地，所述第二冷却为空冷。
优选地，第三热处理后还包括将第三热处理所得高强钛合金空冷至室温。
优选地，所述α+β型高强钛合金为TC11高强钛合金或TC18高强钛合金。
优选地，当所述α+β型高强钛合金为TC11高强钛合金时，所述第一热处理的温度为1015～1025℃，所述第二热处理的温度为930～950℃。
优选地，当所述α+β型高强钛合金为TC18高强钛合金时，所述第一热处理的温度为900～910℃，所述第二热处理的温度为820～840℃。
本发明还提供了一种增强的高强钛合金，由上述技术方案所述的热处理方法得到。
本发明提供了一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法，包括如下步骤：将电弧增材制造高强钛合金进行第一热处理后，第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；将所述第二热处理所得高强钛合金第二冷却至室温，然后再升温至第三热处理的温度进行第三热处理；所述电弧增材制造高强钛合金的材质为α+β型高强钛合金；所述第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上10～30℃，时间为15～30min；所述第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，时间为0.8～1.2h；所述第三热处理的温度为500～550℃，时间为4～6h。发明人发现电弧增材制造高强钛合金中会形成“竹节状”的β晶粒，晶粒尺寸较大，从微观组织上来看，有连续的晶界α相，通过本发明提供的热处理方法处理后，在晶界处产生“羽毛状”晶界α相，具体机理为在第一热处理的温度保温时，电弧增材制造高强钛合金中的α相消失，从第一热处理的温度降温至第二热处理的温度过程中，α相沿晶界析出，同时向晶内扩展，产生“羽毛状”的晶界α相，解决了连续平直的晶界α相造成的沿晶断裂问题，去除了钛合金中的残余应力，然后再通过第三热处理(主要作用为时效处理)进一步提高高强钛合金的强度，从而得到了综合性能优异的高强钛合金，扩大了电弧增材制造高强钛合金的应用范围。
附图说明
图1实施例1所得TC11高强钛合金样件的微观组织图；
图2实施例1所得TC11增强的高强钛合金的微观组织图；
图3实施例2所得TC18增强的高强钛合金的微观组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
将电弧增材制造高强钛合金进行第一热处理后，第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；将所述第二热处理所得高强钛合金第二冷却至室温，然后再升温至第三热处理的温度进行第三热处理；
所述电弧增材制造高强钛合金的材质为α+β型高强钛合金；
所述第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上10～30℃，时间为15～30min；
所述第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，时间为0.8～1.2h；
所述第三热处理的温度为500～550℃，时间为4～6h。
本发明先将电弧增材制造高强钛合金(即电弧增材制造所得高强钛合金)进行第一热处理。在本发明中，所述电弧增材制造高强钛合金的材质为α+β型高强钛合金，所述α+β型高强钛合金优选为TC11高强钛合金或TC18高强钛合金。本发明对所述电弧增材制造高强钛合金的制备方法没有特殊限定，任意的电弧增材制造方法得到的高强钛合金均可采用本发明所提供的热处理方法。
本发明对升温至第一热处理的温度的升温速率没有特殊限定，可以为任意升温速率，在本发明实施例中，升温至第一热处理的温度的升温速率优选为10～15℃/min，更优选为10℃/min。
在本发明中，所述第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点(即α+β/β相变点，即α相刚好完全消失，高强钛合金中只存在β相时的加热温度)以上10～30℃，优选为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上15～20℃；时间为15～30min，优选为30min。在本发明实施例中，当所述电弧增材制造高强钛合金为TC11高强钛合金时，所述TC11高强钛合金的β相变点为1005℃；所述第一热处理的温度优选为1015～1025℃，更优选为1020℃；当所述电弧增材制造高强钛合金为TC18高强钛合金时，所述TC18高强钛合金的相变点为880℃，所述第一热处理的温度优选为900～910℃，更优选为900℃。
所述第一热处理完成后，本发明将所述第一热处理所得高强钛合金第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；所述第一冷却的冷却速率优选为6～9℃/min，更优选为8～9℃/min；所述第一冷却优选为随炉冷却。
在本发明中，所述第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，优选为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下60～75℃；时间为0.8～1.2h，优选为1h。在本发明实施例中，当所述电弧增材制造高强钛合金为TC11高强钛合金时，所述第二热处理的温度优选为930～950℃，更优选为930℃；当所述电弧增材制造高强钛合金为TC18高强钛合金时，所述第一热处理的温度优选为820～840℃，更优选为820℃。
第二热处理完成后，本发明将所述第二热处理所得高强钛合金第二冷却至室温，然后再升温至第三热处理的温度进行第三热处理。
本发明对所述第二冷却的冷却速率没有特殊限定，在本发明实施例中，所述第二冷却优选为空冷，即放在空气氛围中自然冷却。
本发明对升温至第三热处理的温度的升温速率没有特殊限定，可以为任意升温速率，在本发明实施例中，升温至第三热处理的温度的升温速率优选为10～15℃/min，更优选为10℃/min。
在本发明中，所述第三热处理的温度为500～550℃；时间为4～6h。
第三热处理后，本发明优选还包括将第三热处理所得高强钛合金空冷至室温。
本发明还提供了一种增强的高强钛合金，由上述技术方案所述的热处理方法得到。
下面结合实施例对本发明提供的一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法和一种增强的高强钛合金进行详细的说明，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
(1)TC11高强钛合金样件的制备：
以直径为1.2mm的TC11高强钛合金丝材为原料，制备TC11高强钛合金样件，具体的，在TC11高强钛合金丝材距离熔融端30cm处连接一个热丝电源的正极，将该热丝电源的负极连接在工作台上，以在电弧增材制造过程中为TC11高强钛合金丝材提供辅助加热，具体的电弧增材制造的参数如下：
峰值电流为220A；峰值电流时间占比为15％；基值电流占峰值电流的15％；频率为1.5Hz；扫描速率为250mm/min；送丝速率为150cm/min；层高为1.0mm；热丝电流为100A；
所得样件的尺寸为175mm×50mm×80mm；
(2)热处理
TC11高强钛合金的β相变点为1005℃，将步骤(1)所得TC11高强钛合金样件以10℃/min的升温速率随炉升温至1020℃，保温30min，然后以9℃/min的冷却速率随炉冷却至930℃，保温1h，再空冷至室温，然后以10℃/min的升温速率随炉升温至500℃保温6h，再空冷至室温，得到增强的TC11高强钛合金。
图1为本实施步骤(1)所得TC11高强钛合金样件的微观组织图，由图1可知，本实施例所得TC11高强钛合金样件的微观组织为“竹节状”β晶粒。
图2为本实施例所得增强TC11高强钛合金的微观组织图，由图2可知，本实施例所得增强的TC11高强钛合金的组织为“羽毛状”晶界α相，同时晶内产生少量的片层α相。
按照GB/T145-2000的规定将TC11高强钛合金加工成棒状拉伸样件，按照GB/T228.1-2010的规定进行室温拉伸试验，得到其室温拉伸性能值：抗拉强度为1036MPa，屈服强度为908MPa，延伸率为9.1％，断口收缩率为16.9％。
实施例2
(1)TC18高强钛合金样件的制备：
按照实施例1的方法制备TC18高强钛合金样件，不同之处仅在于，将TC11高强钛合金丝材替换为TC18高强钛合金丝材；
(2)热处理：
TC18高强钛合金的β相变点为880℃，将步骤(1)所得TC18高强钛合金样件以10℃/min的升温速率随炉升温至900℃，保温30min，然后以8℃/min的冷却速率随炉冷却至820℃，保温1h，再空冷至室温，然后以10℃/min的升温速率随炉升温至500℃保温6h，再空冷至室温，得到增强的TC18高强钛合金。
图3为本实施例所得增强的TC18高强钛合金的微观组织图，由图3可知，本实施例所得TC18高强钛合金的组织为“羽毛状”晶界α相，同时晶内产生少量的片层α相。
采用实施例1的方法测试增强TC18的室温拉伸性能，得到其室温拉伸性能值：抗拉强度为1131MPa，屈服强度为1053MPa，延伸率为10.7％，断口收缩率为27％。
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 (8)

1.一种电弧增材制造高强钛合金的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
将电弧增材制造高强钛合金进行第一热处理后，第一冷却至第二热处理的温度，进行第二热处理；将所述第二热处理所得高强钛合金第二冷却至室温，然后再升温至第三热处理的温度进行第三热处理；
所述电弧增材制造高强钛合金的材质为α+β型高强钛合金；
所述第一热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以上10～30℃，时间为15～30min；
所述第二热处理的温度为电弧增材制造高强钛合金的β相变点以下40～75℃，时间为0.8～1.2h；
所述第三热处理的温度为500～550℃，时间为4～6h。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第一冷却的冷却速率为6～9℃/min。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第二冷却为空冷。
4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，第三热处理后还包括将第三热处理所得高强钛合金空冷至室温。
5.根据权利要求1～4任一项所述的热处理方法，其特征在于，所述α+β型高强钛合金为TC11高强钛合金或TC18高强钛合金。
6.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于，当所述α+β型高强钛合金为TC11高强钛合金时，所述第一热处理的温度为1015～1025℃，所述第二热处理的温度为930～950℃。
7.根据权利要求5所述的热处理方法，其特征在于，当所述α+β型高强钛合金为TC18高强钛合金时，所述第一热处理的温度为900～910℃，所述第二热处理的温度为820～840℃。
8.一种增强的高强钛合金，由权利要求1～7任一项所述的热处理方法得到。
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