CN112063945A - 一种提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于,热处理的步骤为:步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在β转变温度以下40~10℃进行第一重热处理,热透后保温1~4h后水冷或空冷;步骤二:然后将合金在低于步骤一热处理温度20℃以上,且在900~1020℃范围内进行第二重热处理,热透后保温1~4h后水冷或油冷;步骤三:最后将合金在700~820℃保温6~40h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成混合组织。与传统固溶+时效两重热处理得到的双态组织相比,上述热处理工艺得到的混合组织具有优异室温塑性的同时具有良好的持久和蠕变抗力。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域,具体涉及到一种提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺。
背景技术
与传统的固溶体强化为主要钛合金不同,Ti2AlNb基合金是以中间化合物强化,Ti2AlNb合金长程有序的晶体结构和金属键与共价键的混合键合方式使得其具有优异的高温性能,但同时这种长程有序的结构中可开动的滑移系数目有限、超结构位错柏氏矢量大、位错交滑移困难,这些因素使Ti2AlNb合金的塑性和韧性较低,解决Ti2AlNb合金的强塑性匹配是实用化的前提。
对于成分固定的合金,其力学性能主要由显微组织决定。Ti2AlNb合金环件和叶片用锻件通常是在β相变点以下温度锻造成形,锻造后采用固溶+时效两重热处理得到双态组织。合金的性能受固溶温度的影响较大,固溶温度较低时,合金的塑性好,但其高温持久、蠕变抗力偏低,提高固溶温度,会使合金强度、高温持久和蠕变抗力增加,但塑性低。因此有必要研究一种热处理工艺,在保持合金具有良好室温塑性的同时具有优异的高温持久和蠕变抗力。
发明内容
本发明的目的是针对Ti2AlNb合金锻件在常规固溶时效后合金的塑性和高温蠕变、持久性能很难匹配的难题。本发明通过第一重热处理,可以保留少量等轴初生α2/O相的同时,促进原始β晶粒的长大,提高合金的持久和蠕变性能;通过第二重热处理,使原始β晶粒内析出部分短棒状α2/O相,提高合金的塑性;第三重热处理使B2/β相中析出细小的板条O相,提高合金的组织稳定性和强度,最终实现合金性能的优化匹配。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是:
一种提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于,热处理的步骤为:
步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在β转变温度以下30~5℃进行第一重热处理,热透后保温1~4h后水冷或空冷;
步骤二:将合金在低于步骤一热处理温度20℃以上,且在900~1020℃范围内进行第二重热处理,热透后保温1~4h后水冷或油冷;
步骤三:将合金在700~820℃保温6~40h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成的混合组织。
作为优选的技术方案:
本发明所述Ti2AlNb基合金的质量百分比为,Al:9.5%~13%,Nb:37.0~46%,Mo:0~1.5%,Zr:0~2.5%,余量为Ti和其他不可避免的杂质元素。
步骤一中所述Ti2AlNb基合金锻件的原始组织中等轴状α2/O相的体积分数不低于10%。
进一步优选的,步骤一中所述Ti2AlNb基合金锻件的原始组织中的等轴状α2/O相的体积分数不低于25%。
步骤一和步骤二锻件的热透时间=η1×δmax,η1为加热系数=0.6~1mm/min,δmax为锻件的最大截面厚度,单位为mm。
上述热处理采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±10℃以内。
进一步优选的,上述热处理采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±5℃以内。
本发明与现有技术相比具有的优点和有益效果:
1)传统工艺制备的锻件为双态或网篮组织,本发明的热处理工艺可以获得由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成三态混合组织。
2)上述热处理工艺得到的混合组织其室温强度在1140Mpa以上、屈服强度在1000Mpa以上、延伸率在12%以上、断面收缩率在14%以上;650℃,360Mpa的持久断裂时间大于150h,700℃,260Mpa的持久断裂时间大于75h;650℃,150Mpa,100h条件下残余蠕变量小于0.13%;700℃,120Mpa,100h条件下残余蠕变量小于0.15%。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1热处理后的Ti2AlNb锻件的显微组织照片;
图2为本发明实施例2热处理后的Ti2AlNb锻件的显微组织照片;
图3为本发明实施例3热处理后的Ti2AlNb锻件的显微组织照片。
具体实施方式
实施例1:
采用直径为490mm的Ti2AlNb合金锻件,合金各成分的重量百分比为Al:10.8%,Nb:40.9%,H:0.008%,O:0.01%,N:0.006%,余量为Ti和其他不可避免的杂质元素,金相法检测合金的β相变转变温度为1055℃,锻件原始组织中等轴α2/O相的体积分数为25%。锻件最大截面尺寸为80mm,合金的热透系数η1选取0.8mm/min,计算得到热透时间为64min;
步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在1030℃进行第一重热处理,热透后保温2h后空冷;
步骤二:然后将合金在960℃进行第二重热处理,热透后保温3h后油冷;
步骤三:最后将合金在780℃保温12h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成的混合组织。
实施例1和对比例的性能见表1和表2,与传统固溶+时效两重热处理相比,实施例1与对比例1的室温拉伸的强度和塑性相当,但实施例1的持久和蠕变性能显著提高;实施例1与对比例2的持久和蠕变性能相当,但实施例1的塑性明显提高。
表1 Ti2AlNb锻件的室温拉伸性能
表2 Ti2AlNb锻件的高温蠕变和持久性能
实施例2:
采用直径为480mm的Ti2AlNb合金锻件,合金各成分的重量百分比为Al:12%,Nb:42%,Mo:0.98%,H:0.007%,O:0.015%,N:0.009%,余量为Ti和其他不可避免的杂质元素,金相法检测合金的β相变转变温度为1052℃,锻件原始组织中等轴α2/O相的体积分数为35%。锻件最大截面尺寸为80mm,合金的热透系数η1选取1mm/min,计算得到热透时间为80min;
步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在1037℃进行第一重热处理,热透后保温3h后水冷;
步骤二:然后将合金在950℃进行第二重热处理,热透后保温2h后水冷;
步骤三:最后将合金在760℃保温36h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成的混合组织。
实施例2和对比例的性能见表3和表4,与传统固溶+时效两重热处理相比,实施例2与对比例1的室温拉伸的强度和塑性相当,但实施例2的持久和蠕变性能显著提高;实施例2与对比例2的持久和蠕变性能相当,但实施例2的塑性明显提高。
表3 Ti2AlNb锻件的室温拉伸性能
表4 Ti2AlNb锻件的高温蠕变和持久性能
实施例3:
采用直径600mm的Ti2AlNb合金锻件,合金各成分的重量百分比为Al:10.3%,Nb:41%,Mo:0.5%,Zr:1.5%,H:0.009%,O:0.013%,N:0.007%,余量为Ti和其他不可避免的杂质元素,金相法检测合金的β相变转变温度为1060℃,锻件原始组织中等轴α2/O相的体积分数为40%。锻件最大截面尺寸为60mm,合金的热透系数η1选取1mm/min,计算得到热透时间为60min;
步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在1030℃进行第一重热处理,热透后保温2h后空冷;
步骤二:然后将合金在960℃进行第二重热处理,热透后保温2h后油冷;
步骤三:最后将合金在760℃保温30h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成的混合组织。
实施例3和对比例的性能见表5和表6,与传统固溶+时效两重热处理相比,实施例3与对比例1的室温拉伸的强度和塑性相当,但实施例3的持久和蠕变性能显著提高;实施例3与对比例2的持久和蠕变性能相当,但实施例3的塑性明显提高。
表5 Ti2AlNb锻件的室温拉伸性能
表6 Ti2AlNb锻件的高温蠕变和持久性能
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于,热处理的步骤为:
步骤一:将Ti2AlNb基合金锻件在β转变温度以下30~5℃进行第一重热处理,热透后保温1~4h后水冷或空冷;
步骤二:将合金在低于步骤一热处理温度20℃以上,且在900~1020℃范围内进行第二重热处理,热透后保温1~4h后水冷或油冷;
步骤三:将合金在700~820℃保温6~40h后空冷,得到由等轴α2/O相、粗板条状α2/O相和细板条状O相组成的混合组织。
2.按照权利要求1所述提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于:所述Ti2AlNb基合金的质量百分比为,Al:9.5%~13%,Nb:37.0~46%,Mo:0~1.5%,Zr:0~2.5%,余量为Ti和其他不可避免的杂质元素。
3.按照权利要求1所述提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于:步骤一中所述Ti2AlNb基合金锻件的原始组织中等轴状α2/O相的体积分数不低于10%。
4.按照权利要求1所述提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于:步骤一和步骤二锻件的热透时间=η1×δmax,η1为加热系数=0.6~1min/mm,δmax为锻件的最大截面厚度,单位为mm。
5.按照权利要求1所述提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于:采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±10℃以内。
6.按照权利要求1所述提高Ti2AlNb基合金持久和蠕变性能的热处理工艺,其特征在于:采用所述工艺处理得到的Ti2AlNb基合金其室温强度在1140Mpa以上、屈服强度在1000Mpa以上、延伸率在12%以上、断面收缩率在14%以上;650℃,360Mpa的持久断裂时间大于150h,700℃,260Mpa的持久断裂时间大于75h;650℃,150Mpa,100h条件下残余蠕变量小于0.13%;700℃,120Mpa,100h条件下残余蠕变量小于0.15%。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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