CN112642976B - 一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法 - Google Patents

一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法 Download PDF

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Abstract

一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，涉及一种控制钛合金β锻造织构的锻造方法。本发明是要解决目前通过β锻造工艺加工的近β型钛合金具有很强的{001}β基面织构，从而危害材料的可靠性的技术问题。本发明采用两段非等温锻造的方法，在第二段锻造过程中引入α析出相，从而抑制β相基面织构的形成，解决了目前大形变量下的β锻造所引起的强{001}β基面织构的问题，在同等锻造形变量及锻造形变速率的条件下降低了β织构强度。此外，本发明方法简单易行，易于推广与工业化生产。

Description

一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法
技术领域
本发明涉及一种控制钛合金β锻造织构的锻造方法。
背景技术
钛合金是一种应用十分广泛的轻质结构材料，具有比强度高，抗腐蚀性能优异，高温性能好等优点。钛合金在航空发动机中的应用有利于减轻发动机重量，提高发动机推重比，从而减少飞机油耗与温室气体排放。其中近β型钛合金，如Ti-6246，Ti-6242，Ti-17等被用来制造发动机压气机的叶盘等转动件。该类近β型钛合金往往通过β锻造工艺进行加工，即合金的锻造温度高于合金的β→α相变温度，位于β单相区间内。β锻造具有工艺塑性好，变形抗力低，产品断裂韧性高等优点。在高温锻造过程中，β相晶粒在外力的作用下通过晶粒内部位错的运动和滑移系的开动发生晶粒转动，进而形成β形变织构，即β相晶粒的择优取向。合金在β锻造后主要形成平行于锻造方向的{001}和{111}丝织构，其中以{001}织构为主，且织构强度随着锻造形变量的增大而增大。
目前，通过β锻造工艺加工的近β型钛合金往往具有很强的{001}β基面织构，尤其是在形变量较大的情况下。强β织构的锻件具有各向异性的力学性能，从而危害材料的可靠性。此外，强β织构也是形成α相“宏区”的原因之一，α相晶粒在“宏区”中表现出很强的局域择优取向。α相织构的形成是由于β相在α+β温度区间发生β→α相转变的时候符合Burgers取向关系，α相继承了母相的强β织构。“宏区”的形成会严重影响材料的疲劳性能，进而严重影响材料的使用寿命。因此，控制钛合金β锻造织构，进而消除织构带来的不良影响已成为该领域被关注的重要课题之一。
发明内容
本发明是要解决目前通过β锻造工艺加工的近β型钛合金具有很强的{001}β基面织构，从而危害材料的可靠性的技术问题，而提供一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法。
本发明的控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法是按以下步骤进行的：
一、第一段锻造：将近β型钛合金样品加热至高于β→α相变温度30℃～35℃，升温速率为8℃/s～10℃/s，并保温10min～15min，得到均一的组织；然后在高于β→α相变温度30℃～35℃的条件下进行等温锻造，形变速率为0.01/s～1/s；
二、第二段锻造：将第一段锻造后的样品降温至低于β→α相变温度75℃～80℃，降温速率为8℃/s～10℃/s；然后在低于β→α相变温度75℃～80℃的条件下进行等温锻造，形变速率保持与第一段锻造中的形变速率相同；
三、第二段锻造后空冷或淬火，即完成锻造。
本发明采用两段非等温锻造的方法，在第二段锻造过程中引入α析出相，从而抑制β相基面织构的形成，解决了目前大形变量下的β锻造所引起的强{001}β基面织构的问题，在同等锻造形变量及锻造形变速率的条件下降低了β织构强度。此外，本发明方法简单易行，易于推广与工业化生产。
本发明的设计原理：为了实现在总形变量不变的条件下控制β形变织构的目的，本发明方法将传统β锻造分成两段锻造，其中第一段锻造在β单相区间进行，β织构随着形变量的增加而增强；随后在第二段锻造过程中将温度降低至α+β双相区间，降温速率控制在10℃/s以避免α相或马氏体相在冷却过程中的析出；第二段锻造在α+β双相区间进行，α相随着锻造的进行而逐渐析出在β相晶界上和β相晶粒内部，β相晶粒内α相阻碍了位错的运动与bcc滑移系的开动，进而抑制强{001}β基面织构的形成。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，具体是按以下步骤进行的：
一、第一段锻造：将近β型钛合金样品加热至高于β→α相变温度30℃～35℃，升温速率为8℃/s～10℃/s，并保温10min～15min，得到均一的组织；然后在高于β→α相变温度30℃～35℃的条件下进行等温锻造，形变速率为0.01/s～1/s；
二、第二段锻造：将第一段锻造后的样品降温至低于β→α相变温度75℃～80℃，降温速率为8℃/s～10℃/s；然后在低于β→α相变温度75℃～80℃的条件下进行等温锻造，形变速率保持与第一段锻造中的形变速率相同；
三、第二段锻造后空冷或淬火，即完成锻造。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中将近β型钛合金样品加热至高于β→α相变温度30℃。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中在高于β→α相变温度30℃的条件下进行等温锻造。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中将第一段锻造后的样品降温至低于β→α相变温度80℃。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中降温速率为10℃/s。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中在低于β→α相变温度80℃的条件下进行等温锻造。其他与具体实施方式五相同。
用以下试验对本发明进行验证：
进行传统β锻造与本发明工艺中β相形变织构强度的对比实验：原材料采用一种广泛应用在航空发动机中的近β型钛合金Ti-6246(Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)。Ti-6246棒材的直径为203mm，高为171mm，实验测得的β→α相变温度(Tβ)约为948℃。将原材料加工成直径8mm，高12mm的标准圆柱形试样；然后在Termecmaster-Z试验机上进行恒定应变速率的等轴压缩实验。
试验一：本试验为传统β锻造方法：将上述的标准圆柱形试样从室温加热到980℃(Tβ+30℃)，升温速率为10℃/s，随后在980℃保温10min以获得均一组织；压缩的形变温度为980℃，应变速率为0.01/s，形变量为75％；压缩后的试样通过气冷淬火(He)冷却至室温，得到样品1。
试验二：本试验为一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，具体是按以下步骤进行的：
一、第一段锻造：将上述的标准圆柱形试样从室温加热至980℃，升温速率为10℃/s，并保温10min，得到均一的组织；然后在980℃的条件下进行等温锻造，形变速率为0.01/s，形变量为50％；
二、第二段锻造：将第一段锻造后的样品降温至870℃，降温速率为10℃/s；然后在870℃进行等温锻造，形变速率为0.01/s，形变量为25％；
三、第二段锻造后通过气冷淬火(He)冷却至室温，得到样品2。
将锻造后的样品1和样品2切割并抛光，采用背散射电子衍射技术(EBSD)和OIMAnalysis软件分析试样中心区域平行于锻造方向的织构组成及强度，EBSD扫描区域面积为500μm×200μm，扫描步长为0.7μm。测试数据显示样品1的{001}织构强度为9.467，{111}织构强度为1.454；样品2的{001}织构强度为6.302，{111}织构强度为1.359。这两种锻造方法的总形变量及应变速率均相同，采用试验二的两段非等温锻造方法可以将{001}织构强度弱化约33％。由此可见，本发明的两段非等温锻造方法相比传统β锻造工艺能有效地减弱β基面织构的强度，从而为弱化材料的各向异性，提高材料的可靠性提供了新的思路。
试验三：本试验为一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，具体是按以下步骤进行的：
一、第一段锻造：将上述的标准圆柱形试样从室温加热至980℃，升温速率为10℃/s，并保温10min，得到均一的组织；然后在980℃的条件下进行等温锻造，形变速率为0.01/s，形变量为30％；
二、第二段锻造：将第一段锻造后的样品降温至870℃，降温速率为10℃/s；然后在870℃进行等温锻造，形变速率为0.01/s，形变量为45％；
三、第二段锻造后通过气冷淬火(He)冷却至室温，得到样品3。
将锻造后的样品3切割并抛光，采用背散射电子衍射技术(EBSD)和OIMAnalysis软件分析试样中心区域平行于锻造方向的织构组成及强度，EBSD扫描区域面积为500μm×200μm，扫描步长为0.7μm。样品3的{001}织构强度为4.638，{111}织构强度为1.279。由试验条件可知，样品2和样品3均由两段锻造加工完成，且总形变量均为75％，应变速率也相同，区别在于每段锻造的形变量比例不同。样品3在α+β区间的第二段锻造形变量为45％，大于样品2在α+β区间的第二段锻造形变量的25％。由此可见，在本发明的两段非等温锻造方法中，β区间的形变量越小，α+β区间的形变量越大，β基面织构的强度越弱。试验三说明了可以通过改变两段锻造的形变量比例来进一步调整β相形变织构强度，即通过增加第二段α+β区间的形变量来进一步减弱β基面织构的强度。该试验为调整锻件的织构强度，从而调整材料的力学性能提供了一个新的解决方案。

Claims (5)

1.一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，其特征在于控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法是按以下步骤进行的：
一、第一段锻造：将近β型钛合金样品加热至高于β→α相变温度30℃~35℃，升温速率为8℃/s~10℃/s，并保温10min~15min，得到均一的组织；然后在高于β→α相变温度30℃~35℃的条件下进行等温锻造，形变速率为0.01/s~1/s，β织构随着形变量的增加而增强；
二、第二段锻造：将第一段锻造后的样品降温至低于β→α相变温度75℃~80℃，降温速率控制在10℃/s以避免α相或马氏体相在冷却过程中的析出；然后在低于β→α相变温度75℃~80℃的条件下进行等温锻造，形变速率保持与第一段锻造中的形变速率相同，α相随着锻造的进行而逐渐析出在β相晶界上和β相晶粒内部，β相晶粒内α相阻碍了位错的运动与bcc滑移系的开动，进而抑制强{001}β基面织构的形成；
三、第二段锻造后空冷或淬火，即完成锻造。
2.根据权利要求1所述的一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，其特征在于步骤一中将近β型钛合金样品加热至高于β→α相变温度30℃。
3.根据权利要求1所述的一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，其特征在于步骤一中在高于β→α相变温度30℃的条件下进行等温锻造。
4.根据权利要求1所述的一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，其特征在于步骤二中将第一段锻造后的样品降温至低于β→α相变温度80℃。
5.根据权利要求1所述的一种控制钛合金β锻造织构的两段非等温锻造方法，其特征在于步骤二中在低于β→α相变温度80℃的条件下进行等温锻造。
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