CN111893412B - 一种高强度双相钛合金构件和提高双相钛合金构件强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双相钛合金微观组织调控技术领域，尤其涉及一种提高双相钛合金构件强度的方法。本发明先将双相钛合金构件进行预热保温；然后从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温；再从所述β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s；冷却至室温后，得到第一构件；将所述第一构件进行时效处理；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区；所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，所述第三加热的升温速率大于20℃/s。本发明可有效降低双态或等轴组织界面间的应力集中，提高钛合金构件的抗拉强度。
Description
技术领域
本发明涉及双相钛合金微观组织调控技术领域，尤其涉及一种高强度双相钛合金构件和提高双相钛合金构件强度的方法。
背景技术
钛合金由于其密度低、强度高、耐腐蚀等特点，在航空航天、海洋工程等领域得到了广泛应用。其中α+β型双相钛合金具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，是常用的结构材料。
但α+β型双相钛合金的抗拉强度仍有待提高，这是由于α+β型双相钛合金的初生α相(αp)和β转变组织(βtrans，主要是片层状αp相和残留βr相交替排列形成)存在明显的相界面，在钛合金塑性变形和断裂演化过程中，位错首先在αp中开动，随后塞积于和βtrans的界面，从而在该(αp/βtrans)界面产生较大的应力集中并诱发裂纹形核，导致在该区域形成孔洞，最后连接成裂纹，发生断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度双相钛合金构件和提高双相钛合金构件强度的方法，可有效降低组织界面间的应力集中，提高钛合金构件的抗拉强度。
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强度的方法，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热保温；然后从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温；再从所述β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s；冷却至室温后，得到第一构件；
将所述第一构件进行时效处理；
所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区；
所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，
所述第三加热的升温速率大于20℃/s。
优选的，所述双相钛合金构件包括Ti6242S合金构件。
优选的，所述预热的温度为450～540℃。
优选的，所述时效处理的温度为450～600℃，保温时间为6～10小时。
优选的，所述第二保温的保温时间为1～20s。
优选的，当所述双相钛合金构件的厚度或直径大于100mm，所述冷却的速率大于50℃/s。
优选的，所述预热、第二加热和第三加热的方式独立为高频加热或电接触加热。
本发明提供了一种高强度双相钛合金构件，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；所述高强度双相钛合金构件的初生α相与β转变组织之间存在析出相，所述析出相为残留β相颗粒；所述析出相的数量呈梯度变化，沿初生α相到β转变组织方向，所述析出相的数量逐渐增加。
本发明提供了一种提高双相钛合金构件强度的方法，包括以下步骤：将双相钛合金构件进行预热保温；然后从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温；再从所述β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s；冷却至室温后，得到第一构件；将所述第一构件进行时效处理；所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区；所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，所述第三加热的升温速率大于20℃/s。
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，本发明先在双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区对双相钛合金进行预热保温，由于靠近α+β两相区的低温区域，可以保持初生等轴αp组织基本无相变，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相变点温度所需的时间，以使双相钛合金迅速穿过α+β两相高温区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变。然后将预热后的构件从预热的温度第二加热至β相变点温度第二保温；本发明所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，能够使双相钛合金迅速穿过α+β两相高温区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变，同时在β相变点温度保温，为后续双相钛合金组织发生β相变提供孕育期。之后将β相变点保温后的构件从β相变点温度以大于20℃/s的速率第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s，第三加热和第三保温过程中βtrans中的溶质原子和αp中的溶质原子发生互相扩散，本发明控制溶质原子在不同相区中扩散过程条件，即通过快速升温和短时保温，实现组织之间溶质原子的不均匀分配，溶质原子在等轴αp和βtrans之间形成浓度梯度，同时通过快速升温和短时保温，βtrans全部转变为β相，部分αp转变为β相，最终得到αp和β相组织且在αp和β相界面间形成具有浓度梯度的β相组织；之后进行冷却，使得β相组织全部转变为马氏体组织且马氏体组织在与αp的界面间呈现一定的浓度梯度；后经过时效处理后，马氏体组织分解为α相和残留β相颗粒，这类组织都是βtrans，最终在αp组织和βtrans之间形成数量密度梯度分布的析出相(指残留β相颗粒)，且在等轴αp相中少而到βtrans组织中逐渐增加。本发明在整个双相钛合金构件的αp与βtrans组织之间形成析出相数量呈梯度变化的区域来替代原二维的组织界面，由此避免原等轴(或双态)组织αp和βtrans之间结构性能突变所带来的应力集中，进而提高了双相钛合金的强度。
附图说明
图1为经本发明方法处理后得到的高强度双相钛合金构件的αp与βtrans组织之间的界面示意图；
图2为实施例1中Ti6242S型材原始组织的光学照片和扫描电镜照片；
图3为实施例1中第一构件的扫描电镜和透射电镜照片；
图4为实施例1时效处理后的构件的光学照片和扫描电镜照片；
图5为不同处理条件下试样的力学性能测试曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种提高双相钛合金构件强度的方法，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热保温；然后从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温；再从所述β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s；冷却至室温后，得到第一构件；
将所述第一构件进行时效处理；
所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区；
所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，
所述第三加热的升温速率大于20℃/s。
本发明将双相钛合金构件进行预热保温。本发明对所述双相钛合金构件的尺寸、形状和化学组成没有特殊要求，任意需要提高强度的双相钛合金构件均可。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。在本发明中，所述双相钛合金构件优选为Ti6242S合金构件。
在本发明中，所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区，优选为β相变点以下450～540℃的α+β两相区，更优选为β相变点以下480～520℃的α+β两相区。在本发明中，当所述双相钛合金构件优选为Ti6242S合金构件时，所述预热的温度优选为450～540℃。本发明对所述保温的时间没有特殊要求，能够保证双相钛合金表面和心部温度均匀一致即可。在本发明中，所述预热采用的加热方式优选为高频加热或电接触加热。本发明采用高频加热或电接触加热有利于保持双相钛合金构件表面和心部温度的一致。
本发明先在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区对双相钛合金进行预热保温，由于靠近α+β两相区的低温区域，可以保持初生等轴αp组织基本无相变，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相变点温度所需的时间，以使双相钛合金迅速穿过α+β两相高温区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变。
所述预热保温后，本发明将预热保温后的构件从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温。
在本发明中，所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，优选在20℃/s以上。本发明所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，能够使双相钛合金迅速穿过α+β两相高温区，避免双相钛合金的等轴αp组织发生相变。在本发明中，所述第二保温的时间优选为1～20s，更优选为2～10s。在本发明中，所述第二加热的方式优选为高频加热或电接触加热。本发明在β相变点温度进行保温，给予双相钛合金组织发生相变的孕育期。
完成第二保温后，本发明将所述第二保温后的构件从β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s。
在本发明中，所述第三加热的温度优选为β相变点以上10～15℃，第三保温的时间优选为5～35s。在本发明中，所述第三加热的升温速率大于20℃/s，优选大于30℃/s。在本发明中，所述第三加热的方式优选为高频加热或电接触加热。本发明在第三加热和第三保温过程中βtrans和αp中的溶质原子发生互相扩散，本发明通过快速升温和短时保温，实现组织之间溶质原子的不均匀分配，溶质原子在等轴αp和βtrans之间形成浓度梯度，同时通过快速升温和短时保温，βtrans全部转变为β相，部分αp转变为β相，最终得到αp和β相组织且在αp和β相界面间形成具有浓度梯度的β相组织。
完成第三保温后，本发明将所得构件冷却至室温，得到第一构件。在本发明中，当所述双相钛合金构件的厚度或直径大于100mm，所述冷却的速率优选大于50℃/s；所述冷却的方式优选为高速流动空气、油冷或水冷。在本发明中，当所述双相钛合金构件的厚度或直径在100mm以下，本发明优选先将第三保温后的构件浸入到等温盐槽中进行冷却5秒以上，随后再油冷或水冷到室温。本发明先将第三保温后的构件浸入到等温盐槽中进行冷却5秒以上，随后再油冷或水冷到室温，可以防止直接冷却到室温温差过大导致双相钛合金构件发生变形。在本发明中，所述等温盐槽的温度优选在540℃以下。本发明冷却后，β相组织全部转变成马氏体组织，且马氏体组织在与αp界面间呈现一定的成分浓度梯度。
得到第一构件后，本发明将所述第一构件进行时效处理。本发明对所述时效处理的条件没有特殊要求，根据合金的种类选择熟知的时效条件即可。在本发明中，当双相钛合金构件为Ti6242S合金构件时，所述时效处理的温度优选为450～600℃，更优选为500～550℃；保温时间优选为6～10小时，更优选为7～8小时。本发明在时效处理过程中，马氏体组织分解为α相和残留β相颗粒，这类组织都是βtrans，最终在αp组织和βtrans之间形成浓度梯度分布的析出相(指残留β相颗粒)，且在等轴αp相中少而到βtrans组织中逐渐增加。本发明在整个双相钛合金构件的αp与βtrans组织之间形成析出相数量呈梯度变化的区域来替代原二维的组织界面，由此避免原组织间结构性能突变所带来的应力集中，进而提高了双相钛合金的强度。
本发明提供了一种高强度双相钛合金构件，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；所述高强度双相钛合金构件的初生α相与β转变组织之间存在析出相(指残留β相颗粒)，所述析出相为残留β相颗粒；所述析出相的数量呈梯度变化，沿初生α相到β转变组织方向，所述析出相的数量逐渐增加。
图1为经本发明方法处理后得到的高强度双相钛合金构件的αp与βtrans组织之间的界面示意图，一方面，位错主要在αp中移动，在αp/βtrans界面塞积，塞积界面就是应力集中破坏源，经本发明的方法处理后，αp/βtrans两组织之间形成析出相数量呈梯度变化的区域，应力集中源大幅度消失了；另一方面，等轴αp中的位错在滑移到αp/βtrans界面的过程受析出相密度的增加滑移阻力呈渐增趋势，从而实现高的加工硬化行为，提高了双相钛合金构件的强度。
下面结合实施例对本发明提供的高强度双相钛合金构件和提高双相钛合金构件强度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
双相钛合金构件选用Ti6242S型材，其原始组织如图2所示，图2中的(a)为光学照片，图2中的(b)为扫描电镜照片。由图2可知，原始组织为典型的等轴组织，等轴αp相和βtrans组织之间具有明显的界面。
通过电加热，先将Ti6242S型材整体加热到520℃(在Ti6242S双相钛合金构件β相变点以下480℃)进行预热，温度均匀后，以10℃/s的升温速率将预热后的构件从预热温度第二加热到该材料的β相变点1006℃，第二保温5秒；随后将β相变点第二保温后的构件以30℃/s的升温速率第三加热到1015℃(β相变点以上9℃)第三保温20秒，再快速浸入常温油液中进行冷却(冷却速率为大于50℃/s)，得到第一构件，其金相组织如图3所示，图3中的(a)为扫描电镜照片，(b)为透射电镜照片，由图3可知，冷却后组织中只有两个相，等轴αp相和具有明显位错的马氏体板条。
随后将第一构件在590℃保温8小时进行时效处理，图3中板条马氏体发生分解，分解成贫Mo的α相和富Mo的β相，由于经1015℃(β相变点以上9℃)保温20秒后构件的成分是梯度分布的，Mo元素向αp相中越来越少，所以β相颗粒也越来越少，越来越小，最终在原等轴αp相和βtrans界面上形成数量呈梯度分布的细小颗粒(残留β相颗粒)，如图4所示，其中，(a)为光学照片，(b)为扫描电镜照片，(c)为扫描电镜的局部放大照片。
将图4与图2进行对比，可显著观察到其组织之间明显的差异，图2为常规等轴组织，而图4中，从光学组织看，比较模糊，主要是因为两组织之间无明显的界面，导致衬度不突出，但可以从扫描电镜中观察到，等轴αp相和βtrans组织之间的过渡主要为细小的颗粒析出相，在等轴αp相中少而到βtrans组织中逐渐增加，本发明在双相钛合金αp到βtrans组织之间形成析出相数量呈梯度变化的区域，来替代原二维的组织界面，由此避免原组织间性能突变所带来的应力集中，应变不协调，实现钛合金强度的显著提高。
对不同处理条件下获得的试样进行力学性能测试，结果如图5所示，具体的数据见表1。
表1不同处理条件下获得的试样的力学性能
由图5和表1的结果可知，本发明所得的组织间梯度析出相替代原等轴αp相和βtrans组织之间的界面后，强度水平明显提高，Ti6242S强度达到1500MPa以上还能保证8％以上的伸长率。
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 (5)
1.一种提高双相钛合金构件强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将双相钛合金构件进行预热保温；然后从预热的温度第二加热至β相变点温度，第二保温；再从所述β相变点温度第三加热到β相变点以上5～20℃，第三保温1～120s；冷却至室温后，得到第一构件；
将所述第一构件进行时效处理；
所述双相钛合金构件的微观组织为等轴组织或双态组织；
所述预热的温度在所述双相钛合金构件β相变点以下200～500℃的α+β两相区；
所述第二加热的升温速率在10℃/s以上，
所述第三加热的升温速率大于20℃/s；
所述双相钛合金构件包括Ti6242S合金构件；
所述预热的温度为450～540℃；
所述第二保温的保温时间为1～20s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时效处理的温度为450～600℃，保温时间为6～10小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述双相钛合金构件的厚度或直径大于100mm，所述冷却的速率大于50℃/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热、第二加热和第三加热的方式独立为高频加热或电接触加热。
5.一种高强度双相钛合金构件，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的方法对双相钛合金构件进行处理后得到；所述高强度双相钛合金构件的初生α相与β转变组织之间存在析出相，所述析出相为残留β相颗粒；所述析出相的数量呈梯度变化，沿初生α相到β转变组织方向，所述析出相的数量逐渐增加。
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