CN112210737B - 一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法 - Google Patents

一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用两级马氏体相变细化钛合金组织从而提高Ti‑6Al‑4V钛合金硬度的热处理方法，步骤为：钛合金铸锭β相区第一次热处理后淬火，得全α′马氏体组织；全α′马氏体组织钛合金经过第二次热处理，获得α′六方马氏体与α″斜方马氏体共存的组织；钛合金样品时效处理；得到的样品理化检测。本发明适应于具有马氏体相变的近α钛合金及α+β钛合金，在较少的热处理道次下即可大幅提高钛合金的硬度。

Description

一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法
技术领域
本发明属于新材料领域，具体涉及一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法。
背景技术
钛合金具有高比强度和优异的抗腐蚀性能，并且密度较低，仅为钢和镍基超合金的一半左右。具备这些优异的性能使得钛合金广泛应用于航空航天、化工、生物医药、海洋工程以及高端体育用品等产业。Ti-6Al-4V两相钛合金是目前应用最广泛的钛合金，除了航空航天领域，在民用领域如高尔夫球头等高端体育用品，以及医疗器械、人工器官等生物医用领域有着重要的应用。在这些特殊的应用领域，需要Ti-6Al-4V钛合金具有高的硬度。提高Ti-6Al-4V钛合金的常规工艺是通过两相区热机械加工的方法，通过热变形细化钛合金组织，从而提高合金硬度。由于Ti-6Al-4V钛合金热加工窗口窄，通过热机械加工的方法步骤复杂，成本较高。
目前已经报道的钛合金的热处理方法存在的问题是：通过固溶+时效的工艺方法，在钛合金中析出细小的次生相，该方法提高钛合金硬度值有限。
发明内容
本发明为了解决现有工艺制备Ti-6Al-4V钛合金硬度达不到使用要求以及现有热机械加工工艺步骤复杂、成本高的问题，提供了一种利用两级马氏体相变细化钛合金组织从而提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的热处理方法。Ti-6Al-4V钛合金在高于马氏体转变温度以上快速冷却，β相通过无扩散相变生成亚稳马氏体组织。在β转变温度以上快速冷却生成α′六方马氏体，在低于900℃温度淬火后会生成α″斜方马氏体。然后进行时效处理，在时效过程中α′六方马氏体和α″斜方马氏体同时发生相变，形成细晶α相，该组织能显著提高Ti-6Al-4V两相钛合金的硬度。
本发明的目的由如下技术方案实现：
1、一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：将所述Ti-6Al-4V钛合金的样品在β相区内进行第一次热处理后淬火，获得全α′六方马氏体组织；
步骤2：全α′马氏体组织钛合金经过第二次热处理，获得α′六方马氏体与α″斜方马氏体共存的组织；
步骤3：钛合金样品时效处理。
所述步骤1包括：将Ti-6Al-4V钛合金样品真空密封，或者将钛合金样品的表面涂敷防高温氧化涂料，在β相区保温30～120分钟后取出快速淬火，获得全α′六方马氏体组织。
所述步骤2包括：将步骤1热处理后的Ti-6Al-4V钛合金样品快速加热至850-900℃，并在该温度保温1-2分钟，然后将样品取出快速淬火，获得α′六方马氏体与α″斜方马氏体共存的组织。
所述步骤3包括：将步骤2热处理后的Ti-6Al-4V钛合金样品在400-600℃，保温4小时时效处理。
所述的将Ti-6Al-4V钛合金样品真空密封，是将所述样品进行石英玻璃真空封管。
所述的快速淬火，具体为：水淬或冰水混合物淬火。
步骤2中，将Ti-6Al-4V钛合金快速加热至850-900℃后仅需保温1-2分钟后就要快速淬火，目的是避免α′六方马氏体全部分解，以得到α′六方马氏体与α″斜方马氏体共存的组织。
本发明利用α相或α+β双相钛合金可得到α′六方马氏体和α″斜方马氏体结构的特点，利用α′六方马氏体与α″斜方马氏体在高温中发生相变从而产生的相变细晶效应，来获得均匀细小组织的钛合金，提高钛合金的硬度。
本发明适应于具有马氏体相变的近α钛合金及α+β钛合金，所制备的细晶样品具有较高的硬度，本发明所述方法在较少的热处理道次即可大幅提高钛合金硬度。
Ti-6Al-4V钛合金在高于马氏体转变温度以上快速冷却，β相通过无扩散相变生成亚稳马氏体组织。在β转变温度以上快速冷却生成α′六方马氏体，在低于900℃温度淬火后会生成α″斜方马氏体。然后进行时效处理，在时效过程中α′六方马氏体和α″斜方马氏体同时发生相变，形成细晶α相，该组织能显著提高Ti-6Al-4V两相钛合金的硬度，步骤为：钛合金铸锭β相区第一次热处理后淬火，得全α′马氏体组织；全α′马氏体组织钛合金经过第二次热处理，获得α′六方马氏体与α″斜方马氏体共存的组织；钛合金样品时效处理；得到的样品理化检测。本发明适应于具有马氏体相变的近α钛合金及α+β钛合金，在较少的热处理道次下即可大幅提高钛合金的硬度。
附图说明
图1为采用本发明实施例1制备的Ti-6Al-4V钛合金样品低倍组织图；
图2为采用本发明实施例2制备的Ti-6Al-4V钛合金样品低倍组织图；
图3为采用本发明实施例3制备的Ti-6Al-4V钛合金样品低倍组织图；
图4为采用本发明实施例4制备的Ti-6Al-4V钛合金样品低倍组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
实施例1：钛合金按元素质量百分比组成：Al:6.08％,V:4.03％,Fe:0.14％,Si:0.013％,C:0.018％,O:0.11％,N:0.0047％,H:0.0008％，该合金Tβ约为975℃。
步骤1：将钛合金铸锭用电火花线切割切成圆棒样品，将圆棒样品进行石英玻璃真空封管，在1015℃保温1h后立即水淬，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体构成。
步骤2：将热处理后的样品快速加热至850℃，在该温度保温1-2分钟后，将样品取出放入冰水混合物中快速淬火，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体与α″斜方马氏体构成。
步骤3：将样品在400℃保温4h时效处理。实施例1制备钛合金组织如附图1所示，所测维氏硬度如表1所示。由附图1可以看出，所制备的钛合金样品具有组织均匀的特点，本发明所述方法在较少的热处理道次条件下即可大幅提高钛合金的硬度。
表1实施方案维氏硬度值
状态 维氏硬度，Hv
实例1 405
原始铸态 295
实施例2：钛合金按元素质量百分比组成：Al:6.27％,V:4.25％,Fe:0.17％,Si:0.022％,C:0.012％,O:0.11％,N:0.006％,H:0.0031％，该合金Tβ约为975℃。
步骤1：将钛合金铸锭用电火花线切割切成圆棒样品，将圆棒样品进行石英玻璃真空封管，在1015℃保温1h后立即水淬，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体构成。
步骤2：将热处理后的样品快速加热至860℃，在该温度保温1-2分钟后，将样品取出放入冰水混合物中快速淬火，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体与α″斜方马氏体构成。
步骤3：将样品在450℃保温4h时效处理。实施例2制备钛合金组织如附图2所示，所测维氏硬度如表2所示。由附图2可以看出，所制备的钛合金样品具有组织均匀的特点，本发明所述方法在较少的热处理道次条件下即可大幅提高钛合金的硬度。
表2实施方案维氏硬度值
状态 维氏硬度，Hv
实例2 415
原始铸态 305
实施例3：钛合金按元素质量百分比组成：Al:6.08％,V:4.03％,Fe:0.14％,Si:0.013％,C:0.018％,O:0.11％,N:0.0047％,H:0.0008％，该合金Tβ约为975℃。
步骤1：将钛合金铸锭用电火花线切割切成圆棒样品，将圆棒样品进行石英玻璃真空封管，在1015℃保温1h后立即水淬，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体构成。
步骤2：将热处理后的样品快速加热至870℃，在该温度保温1-2分钟后，将样品取出放入冰水混合物中快速淬火，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体与α″斜方马氏体构成。
步骤3：将样品在500℃保温4h时效处理。实施例3制备钛合金组织如附图3所示，所测维氏硬度如表3所示。由附图3可以看出，所制备的钛合金样品具有组织均匀的特点，本发明所述方法在较少的热处理道次条件下即可大幅提高钛合金的硬度。
表3实施方案维氏硬度值
状态 维氏硬度，Hv
实例3 399
原始铸态 295
实施例4：钛合金按元素质量百分比组成：Al:6.27％,V:4.25％,Fe:0.17％,Si:0.022％,C:0.012％,O:0.11％,N:0.006％,H:0.0031％，该合金Tβ约为975℃。
步骤1：将钛合金铸锭用电火花线切割切成圆棒样品，将圆棒样品进行石英玻璃真空封管，在1015℃保温1h后立即水淬，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体构成。
步骤2：将热处理后的样品快速加热至880℃，在该温度保温1-2分钟后，将样品取出放入冰水混合物中快速淬火，对其生成物进行XRD及TEM分析表明淬火态合金主要由α′六方马氏体与α″斜方马氏体构成。
步骤3：将样品在550℃保温4h时效处理。实施例4制备钛合金组织如附图4所示，所测维氏硬度如表4所示。由附图4可以看出，所制备的钛合金样品具有组织均匀的特点，本发明所述方法在较少的热处理道次条件下即可大幅提高钛合金的硬度。
表4实施方案维氏硬度值
状态 维氏硬度，Hv
实例4 385
原始铸态 305
由附图1-4可以看出，在经过热处理获得α′六方马氏体与α″斜方马氏体组织之后，只需经过时效处理，即可获得组织均匀细小的细晶钛合金样品，并且由表1-4可以得出，通过本发明之实施例1-4的方法制备的钛合金样品硬度相比较原始铸态大幅提高。

Claims (3)

1.一种提高Ti-6Al-4V钛合金硬度的两级相变热处理方法，其特征在于，步骤为：
步骤1：将所述Ti-6Al-4V钛合金的样品在β相区内进行第一次热处理后淬火，获得全α´六方马氏体组织；
步骤2：全α´马氏体组织钛合金经过第二次热处理，获得α´六方马氏体与α´´斜方马氏体共存的组织；
步骤3：钛合金样品时效处理；
所述步骤1包括：将Ti-6Al-4V钛合金样品真空密封，或者将钛合金样品的表面涂敷防高温氧化涂料，在β相区保温30~120分钟后取出快速淬火，获得全α´六方马氏体组织；
所述步骤2包括：将步骤1热处理后的Ti-6Al-4V钛合金样品快速加热至850-900℃，并在该温度保温1-2分钟，然后将样品取出快速淬火，获得α´六方马氏体与α´´斜方马氏体共存的组织；
所述步骤3包括：将步骤2热处理后的Ti-6Al-4V钛合金样品在400-600℃，保温4小时时效处理。
2.根据权利要求1所述的两级相变热处理方法，其特征在于，所述的将Ti-6Al-4V钛合金样品真空密封，是将所述样品进行石英玻璃真空封管。
3.根据权利要求1所述的两级相变热处理方法，其特征在于：所述的快速淬火，具体为：水淬或冰水混合物淬火。
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