CN112760581B - 一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺，属于钛合金制备技术领域。首先将经β相区锻造得到魏氏组织高温钛合金。在低于其β/(α+β)相转变点以下的980℃保温20min，使内部温度均匀。温度均匀后对合金然后接进行热轧，轧制共三个道次，第一道次下压量10％，第二下道次压量20％，第三道次下压量25％，每道次之间保温5min，轧制结束后采用空冷退火，总计变形量46％，获得具有大量α_p和极少量α_s和β的等轴组织结构的高温钛合金板材。之后通过热处理获得高温钛合金双态组织板材。本发明成功制备了等轴组织和双态组织，同时也改善了钛合金锻造组织不均匀的问题。

Description

一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺

技术领域

本发明属于钛合金制备技术领域尤其一种形变与相变控制的热机械加工领域，具体涉及一种近α型高温钛合金通过锻造及轧制复合加工工艺。制备高温钛合金双态组织时，锻造温度范围有严格的要求，锻造工艺失败率较高，一旦锻造温度过高锻造组织成为魏氏组织后无法通过后续热处理获得双态组织。本发明通过锻造及后续热轧工艺，扩大了锻造温度范围、改善了组织均匀性，对航空航天领域将有重要的应用价值。

背景技术

高推重比航空发动机对高温钛合金的服役性能的需求也越来越高。钛合金的服役温度经过多年的研究发展从300℃提高到600℃，其服役温度和性能的提升多以提高合金化程度为主要手段，这势必会造成服役过程中的组织不稳定性。由于具有固态相变的特性，不同的相具有不同的微观组织，因此也具有不同的力学特性，微观组织调控成为保证其在较高温度下的服役性能的最为有效的手段。钛合金调控微观组织的手段主要有热加工和热处理，其中热加工传统上以锻造为主要方式。锻造温度是影响组织稳定性的重要因素，但由于受到锻造方式，锻造加工时间等因素的影响，锻造工艺难以准确的控制温度。但由于钛合金组织对温度极其敏感，因此又对锻造温度要求极高，锻造温度的稍有偏差便可能导致组织结构的改变。

综合α相形貌特征及其与性能的关系，将钛合金典型组织分为魏氏组织、网篮组织、等轴组织及双态组织。其中魏氏组织具有较高的蠕变抗力、持久强度和断裂韧性，但其塑性很差；网篮组织塑性、疲劳抗力及高温特性等综合性能较好，但抗蠕变性能较差；等轴组织具有较高的塑性，但其疲劳抗力较低；双态组织具有较高的疲劳强度和塑性，同时蠕变抗力远高于等轴组织，是兼具一定强韧性的组织，具有很高的实用价值。对于典型的600℃高温钛合金而言，IMI834合金在设计之初就建议合金采用双态组织。然而，钛合金组织具有较强的遗传性，网篮组织或魏氏组织的层片形貌实质是高温下的β相降温转变而成的α_s，而等轴相则是高温β相降温过程中首先析出的初生α_p相，一旦β相共析转变为层片α_s相与残余β组织，则很难逆转变为等轴组织。为此，高温钛合金欲获得双态组织需在α+β相区进行形变，而该α+β相区温度区间较窄，且在这个温度区间钛合金组织对温度最为敏感，因此温度控制的不准确是其锻造失败的主要原因，也是高温钛合金成本较高的一大重要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备近α型高温钛合金等轴组织及后续热处理制备双态组织的锻造结合轧制的热加工及热处理工艺，该高温钛合金组成元素按质量百分比为，Al:6.0％,Sn:3.0％,Zr:2.3％,Mo:0.5％，Nb:0.8％,Ta:0.9％,Si:0.4-0.5％,Er:0.1-0.3％,剩余为Ti。本发明通过锻造轧制复合工艺制备了等轴组织的高温钛合金，并通过热处理进而制备了常用于实际使用的双态组织，是高温钛合金适合实际使用的理想组织。本发明可以使允许的锻造温度提高到β相区，解决了在锻造阶段温度窗口过窄的问题，亦可以使由于锻造温度过高导致锻造组织成为魏氏组织的已有材料得到重新利用，同时相比传统的锻造工艺提高了组织均匀性。

本发明所提供的一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺，具体包括以下步骤：

步骤一

采用真空自耗电极电弧熔炼炉铸造高温钛合金铸锭，通过DSC确定所制备的近α型高温钛合金铸锭的准确相变点，将该铸锭在其β/(α+β)相转变点以上140-150℃(比相转变点高140-150℃)的温度的β单相区开坯锻造，随后在其β相转变点锻造获得棒材，后以空冷方式冷却至室温得到魏氏组织；

步骤二

将步骤一中得到的具有双态组织的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃进行第一道次热轧，热轧变形量为10％-11％；

本步骤主要使较硬的魏氏组织在小变形量下发生一定的动态再结晶，使材料的硬度降低，塑性提高，防止轧制时的开裂。

步骤三

将步骤二中第一道次热轧之后得到的具有双态组织的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃保温5min，之后进行第二道次热轧，热轧变形量为20％。

本步骤主要使材料经过保温后温度回升达到到设定热轧变形温度980℃，并进一步使其发生动态再结晶；

步骤四

将步骤三中第二道次热轧后得到的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃保温5min，之后进行第三道次热轧，热轧变形量为25％-26％，之后在室温下冷却。

本步骤基于主要使材料经过保温后温度回升到设定变形温度980℃，并使其发生更进一步的动态再结晶，最终达到接近46％的总变形量，使再结晶完全。

本发明所述的近α型高温钛合金层后续双态组织热处理工艺，具体为如下的步骤五：

步骤五

将步骤四得到的具有等轴组织的板材进行固溶时效热处理，热处理工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC；获得屈服强度在1000MPa以上，延伸率在10％以上的高性能双态组织高温钛合金板材。

在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃范围内进行第三道次热轧，变形量为第一道次10％，第二道次20％，第一道次25％，每道次间回炉980℃保温五分钟，后空冷退火，制备出高温钛合金等轴组织板材。

上述锻造工艺获得的高温钛合金棒材具有魏氏组织，通常情况下并不会设置这样的锻造工艺，但该情况经常因为在(α+β)两相区锻造时温度控制不稳定或工艺受限而发生，上述轧制处理获得的高温钛合金棒材具有双态组织，为理想的(α+β)钛合金初始组织，可以通过热处理进一步制具有最佳强韧化匹配的双态组织或制备钛合金层状组织等。退火后将得到的具有等轴结构初生α_p的板材，组织均匀性得非常高。对材料进行热处理工艺得到的近α型高温钛合金等轴组织经后续两相区990℃热处理得到α_p含量占比27％的双态组织。

本发明创新点在于解决了钛合金α+β相区较窄，锻造窗口过窄，温度一旦过高得到的魏氏组织无法通过热处理制备双态组织和等轴组织的问题，通过锻造热轧复合工艺成功制备了等轴组织和双态组织，同时也改善了钛合金锻造组织不均匀的问题，轧制后得到均匀的等轴组织，热处理后制备出理想的双态组织。

本发明具有以下有益效果：

本发明经过热加工与热处理工艺制备出组织均匀的等轴组织，使得由于温度过高锻造不成功的魏氏组织材料得以重新利用，达到了节约成本，减少浪费的目的。热处理后制得的双态度组织具有优良的力学性能，其抗拉强度达到1056MP，屈服强度达到953MP，延伸率达到13.7％，达到了双态度组织的使用要求。

附图说明

图1：经过熔炼工艺获得的魏氏组织显微组织形貌。

图2：经过锻造工艺获得的魏氏组织显微组织形貌。

图3：经过轧制工艺获得的等轴组织形貌。

图4：经过固溶和时效处理的双态组织显微组织形貌。

图5：经过固溶和时效处理的双态组织的应力-应变曲线。

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本实施例的近α型高温钛合金，其组成元素按质量百分比为Al:6.0％,Sn:3.0％,Zr:2.5％,,Mo:0.5％，Nb:1.0％,Ta:1.0％,Si:0.4％,Er:0.2％,剩余为Ti,采用常规铸造方法获得高温钛合金铸锭，然后利用DSC(差示扫描量热仪)测试获得该合金β/(α+β)相变点为1014℃。第一步，将经过1150℃β单相区开坯锻造，随后在1014℃β相区锻造的魏氏组织棒材。第二步，将第一步获得的具有等轴组织的材料加热到980℃保温20min，迅速进行第一道次轧制，变形量为10％。第三步，对第二步处理得到的合金材料进行第二道次热轧，将第二步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，热轧变形量为20％。第四步，进行第三道次热轧，将第三步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，变形量为26％，获得如图3所示具有等候组织的板材。第五步，对板材进行固溶和时效处理，工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC,经固溶和时效处理后的组织形貌如图4所示，具有良好的组织均匀性。

实施例2

本实施例的近α型高温钛合金，其组成元素按质量百分比为Al:6.0％,Sn:3.0％,Zr:2.5％,Mo:0.5％，Nb:1.0％,Ta:1.0％,Si:0.4％,Er:0.2％,剩余为Ti,采用常规铸造方法获得高温钛合金铸锭，然后利用DSC(差示扫描量热仪)测试获得该合金β/(α+β)相变点为1014℃。第一步，将经过1150℃β单相区开辟锻造，随后在1014℃β相区锻造的魏氏组织棒材。第二步，将第一步获得的具有等轴组织的材料加热到980℃保温20min，迅速进行第一道次轧制，变形量为11％。第三步，对第二步处理得到的合金材料进行第二道次热轧，将第二步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，热轧变形量为21％。第四步，进行第三道次热轧，将第三步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，变形量为25％，获得如图3所示具有等候组织的板材。第五步，对板材进行固溶和时效处理，工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC,经固溶和时效处理后获得良好的双态组织。

实施例3

本实施例的近α型高温钛合金，其组成元素按质量百分比为Al:6.0％,Sn:3.0％,Zr:2.5％,Mo:0.5％，Nb:1.0％,Ta:1.0％,Si:0.4％,Er:0.2％,剩余为Ti,采用常规铸造方法获得高温钛合金铸锭，然后利用DSC(差示扫描量热仪)测试获得该合金β/(α+β)相变点为1014℃。第一步，将经过1150℃β单相区开辟锻造，随后在1014℃β相区锻造的魏氏组织棒材。第二步，将第一步获得的具有等轴组织的材料加热到980℃保温20min，迅速进行第一道次轧制，变形量为10％。第三步，对第二步处理得到的合金材料进行第二道次热轧，将第二步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，热轧变形量为20％。第四步，进行第三道次热轧，将第三步的合金回炉保温5分钟，热轧温度保持980℃，变形量为25％，获得如图3所示具有等候组织的板材。第五步，对板材进行固溶和时效处理，工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC,经固溶和时效处理后获得良好的双态组织。

由于轧辊间隙控制误差以及合金的弹性回复，在上述实施例中热轧的实际变形量与设计变形量略有出入属正常现象。

将上述3个实施例中获得的板材进行固溶和时效处理，工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC,经稳定化和时效处理后的组织形貌如图4所示(即实施例2和实施例3经稳定化和时效处理后的组织形貌基本与实施例1经稳定化和时效处理后的组织形貌一样类似)，具有较好的组织稳定性。将实施例1中经过稳定化和时效处理态板材按GB/T228.1-2010将加工成拉伸试样，在拉伸试验机上测试不同取样方向合金的拉伸力学性能，如表1所示。

从表1中可以看出，经过热加工及热处理工艺获得的具有双态组织的本发明高温钛合金，比具与传统锻造热处理所制得的α_p含量相近的双态组织的相同高温钛合金，在抗拉强度，屈服强度，延伸率等指标均维持在较高水平。并且通过轧向和横向拉伸试样性能对比，可以看到，材料性能具有很好的均匀性。因此采用这种补救工艺制得的高温钛合金板材可以正常使用。

表1实施例1具有不同组织形貌的高温钛合金稳定化+时效状态的拉伸性能

Claims (2)

1.一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺，其特征在于，该高温钛合金组成元素按质量百分比为，Al:6.0％,Sn:3.0％,Zr:2.3％,Mo:0.5％，Nb:0.8％,Ta:0.9％,Si:0.4-0.5％,Er:0.1-0.3％,剩余为Ti；具体包括以下步骤：

步骤一

采用真空自耗电极电弧熔炼炉铸造高温钛合金铸锭，通过DSC确定所制备的近α型高温钛合金铸锭的准确相变点，将该铸锭在其β/(α+β)相转变点以上140-150℃的温度的β单相区开坯锻造，随后在其β相转变点锻造获得棒材，后以空冷方式冷却至室温得到魏氏组织；

步骤二

将步骤一中得到的具有双态组织的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃进行第一道次热轧，热轧变形量为10％-11％；

步骤三

将步骤二中第一道次热轧之后得到的具有双态组织的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃保温5min，之后进行第二道次热轧，热轧变形量为20％；

步骤四

将步骤三中第二道次热轧后得到的合金材料在低于该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下的980℃保温5min，之后进行第三道次热轧，热轧变形量为25％-26％，之后在室温下冷却；

步骤五

将步骤四得到的具有等轴组织的板材进行固溶时效热处理，热处理工艺为990℃/1h/AC，时效工艺为700℃/5h/AC；获得屈服强度在1000MPa以上，延伸率在10％以上的高性能双态组织高温钛合金板材。

2.按照权利要求1所述的一种近α型高温钛合金的锻轧复合加工及热处理工艺，其特征在于，热处理得到α_p含量占比27％的双态组织。

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