CN113278902A - 一种大规格tb9钛合金线材的性能调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，该方法的具体过程为：将TB9钛合金棒材进行轧制热变形，并冷却至室温，然后进行固溶处理，出炉后进行轧制预变形，并冷却至室温，再进行低温长时间的时效热处理，得到TB9钛合金线材。本发明通过在TB9钛合金棒材经轧制热变形和固溶处理后进行轧制预变形，促进了α相的生成和析出，从而提高了TB9钛合金线材的强度，改善了TB9钛合金线材的强塑性匹配，突破了TB9钛合金线材规格的限制，实现了对大规格TB9钛合金线材的性能调控。

Description

一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法
技术领域
本发明属于钛合金制备技术领域，具体涉及一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法。
背景技术
TB9合金具有比强度高、成形性能好、深的淬透性、热处理强化效果明显等特点，特别是与α+β两相钛合金相比，其强度更高，经过合适的热处理以后可以达到1400MPa以上，因此在航空航天领域的应用越来越广泛。
TB9合金属于β钛合金，其温度在β相变点以上时，组织为单一β相，当温度下降至α+β两相区时α相从β基体中析出。钛合金中的α相作为主要强化相，其尺寸、形貌、分布以及体积分数对β钛合金的力学性能起到极为重要的作用。目前，TB9等β钛合金合金的性能主要受到热处理工艺控制，通过固溶和时效手段的调控热处理工艺，可以控制α相的析出以及其它亚稳相的分解，使得β基体中获得不同含量、尺寸的α相，进而可以获得满足使用要求的力学性能。TB9在进行固溶及时效处理的热处理工艺时，其一般过程为：首先在β单相区保温并淬火至室温以获得全β组织，随后在合适的温度长时间保温，使得α相在β基体中充分析出，亚稳相在β基体中充分分解。
通常，通过热处理、变形加工以及两者的结合来调控β钛合金力学性能。这是由于β钛合金在发生相转变和亚稳相分解时，其相变的驱动力包括材料内部位错、晶界等缺陷处和冷却过程中存储的能量均可为钛合金相变及分解的驱动力，当相变发生在缺陷处时，会释放存储的能量进而促进相变的发生。因此，增加热变形时基体的缺陷含量会影响后续热处理过程中微观形貌的变化和相组织的变化。
大规格TB9钛合金线材在其加工过程中由于轧制温度不宜过高，导致其内部组织无法得到充分的破碎细化，因此在后续通过热处理大幅度提高力学性能上显得后劲不足，力学强度远低于小规格线材的力学强度预期。如何通过固溶时效热处理工艺参数获得大规格TB9钛合金线材并对其性能进行调控，是亟待解决的技术难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法。该方法通过在TB9钛合金棒材经轧制热变形和固溶处理后进行轧制预变形，促进了α相的生成和析出，从而提高了TB9钛合金线材的强度，改善了TB9钛合金线材的强塑性匹配，突破了TB9钛合金线材规格的限制，实现了对大规格TB9钛合金线材的性能调控。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，该方法的具体过程为：将TB9钛合金棒材进行轧制热变形，并冷却至室温，然后进行固溶处理，出炉后进行轧制预变形，并冷却至室温，再进行低温长时间的时效热处理，得到TB9钛合金线材；所述TB9钛合金线材的横截面直径为19mm～27mm。
本发明首先将TB9钛合金棒材进行轧制热变形，使得TB9钛合金基体获得单相β相轧制态纤维状组织，且该轧制热变形过程中晶粒被拉长，增加了β基体相组织中各种晶格缺陷的体积分数，并形成大量的亚晶界，同时促进了组织动态再结晶的发生；然后冷却至室温并进行固溶处理，再进行轧制预变形，以消除固溶过程中由于加热引起的晶粒增长，特别是改善了线材表面同心部组织的差异，同时在其组织内部形成大量新的晶格缺陷和内应力，为后续时效工艺中亚稳相的分解和析出提供动能；再将轧制预变形后的TB9钛合金产物进行低温长时间的时效热处理，使得β基体中亚晶界和晶界等缺陷处形核生成α相，并在长时间的保温过程中长大，由于轧制预变形过程中形成了大量新的晶格缺陷和内应力，大大促进了α相的生成和析出，从而提高了大规格TB9钛合金线材的强度，改善了大规格TB9钛合金线材在时效后的强塑性匹配，实现了对大规格TB9钛合金线材的性能调控，解决了大规格TB9钛合金线材因轧制温度不高、内部组织无法充分破碎细化，难以通过热处理提高其力学性能的难题，突破了TB9钛合金线材规格的限制。
上述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述轧制热变形为两火次下多道次轧制，且轧制热变形的加热温度为TB9钛合金的β相转变温度Tβ以上30℃～150℃，控制轧制热变形的第二火次的形变量为60％～90％；所述轧制热变形采用孔型棒材轧机进行。本发明采用两火次下多道次轧制，以克服TB9钛合金变形抗力大、轧制温度窗口窄和对加热温度、变形温度敏感导致其轧制困难的问题，有效控制了轧制热变形的质量；通过控制轧制热变形的第二火次的形变量，以在单一火次下改善轧制热变形产物的微观组织相貌、尺寸和析出相，并有效消除因加热保温和变形热对微观组织和相转变的影响。
上述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为TB9钛合金的β相转变温度Tβ以上30℃～80℃，保温时间为0.5h～2h。本发明通过控制固溶处理的工艺参数，使得固溶处理产物具有最佳的动态回复和再结晶效果，避免长时间固溶加热造成明显的晶粒长大。
上述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述轧制预变形的形变量为15％～40％，然后采用空冷或水冷冷却至室温。本发明通过控制轧制预变形的形变量，有效控制组织内部缺陷数量，并充分消除固溶过程中避免区域晶粒长大的影响，进一步改善了TB9钛合金线材表面和心部微观组织的均匀性，同时避免了变形量过大导致TB9钛合金线材内部组织中应力分布不均、进而不利于后续时效热处理过程中的组织形成和相变析出，保证了TB9钛合金线材性能的一致性和稳定性。
上述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述时效热处理的温度为460℃～560℃，保温时间为8h～16h。该优选的时效热处理的温度低于β相转变温度Tβ。该优选的时效热处理温度和时间促进了α相的生成和析出，从而提高TB9钛合金线材的强度，并使得TB9钛合金线材形成较佳的强塑性匹配。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明将TB9钛合金棒材依次经轧制热变形和固溶处理后进行轧制预变形，消除了固溶过程中由于加热引起的晶粒增长，并在其组织内部形成大量新的晶格缺陷和内应力，促进了后续的时效热处理过程中α相的生成和析出，从而提高了大规格TB9钛合金线材的强度，改善了大规格TB9钛合金线材在时效后的强塑性匹配，实现了对大规格TB9钛合金线材的性能调控。
2、本发明采用轧制预变形工艺在其组织内部形成大量新的晶格缺陷和内应力，为后续时效工艺中亚稳相的分解和析出提供动能，从而促进α相的生成和析出，调控了TB9钛合金线材的性能，解决了大规格TB9钛合金线材难以通过热处理提高其力学性能的难题，突破了TB9钛合金线材规格的限制。
3、本发明采用轧制预变形工艺改善了TB9棒材表面同心部组织的差异，提高了对TB9钛合金线材性能调控的均匀性和一致性。
4、本发明将TB9钛合金棒材进行轧制热变形，使得β基体相组织中的晶粒被拉长，增加了晶格缺陷的体积分数，并形成大量的亚晶界，同时促进了组织动态再结晶的发生，有利于后续工艺相变的发生。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行一火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为30mm，且轧制热变形的总形变量为70％，并冷却至室温，然后在760℃下保温2h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为27mm，控制轧制预变形的形变量为15％，并空冷至室温，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
实施例2
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在760℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为25mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为80％，并冷却至室温，然后在760℃下保温2h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为20mm，控制轧制预变形的形变量为36％，并空冷至室温，再在560℃下保温8h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例1
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在760℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为20mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为80％，并冷却至室温，然后在810℃下保温1h进行固溶处理，并空冷至室温，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例2
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在830℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为20mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为80％，并冷却至室温，然后在810℃下保温1h进行固溶处理，并空冷至室温，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例3
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为20mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为80％，并冷却至室温，然后在760℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
实施例3
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为30mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为70％，并冷却至室温，然后在810℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为26mm，控制轧制预变形的形变量为25％，并空冷至室温，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例4
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为26mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为77％，并冷却至室温，然后在810℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
实施例4
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为29mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为60％，并冷却至室温，然后在840℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为24mm，控制轧制预变形的形变量为33％，并空冷至室温，再在460℃下保温16h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例5
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为24mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为70％，并冷却至室温，然后在840℃下保温1h进行固溶处理，空冷至室温后出炉，再在460℃下保温16h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
实施例5
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为30mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为60％，并冷却至室温，然后在870℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为19mm，控制轧制预变形的形变量为40％，并空冷至室温，再在560℃下保温8h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对比例6
本对比例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为19mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为84％，并冷却至室温，然后在870℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉，再在510℃下保温12h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
实施例6
本实施例的具体过程为：采用孔型棒材轧机在880℃下对直径Ф100mm的TB9钛合金棒材进行两火次下多道次轧制的轧制热变形，直至直径Ф为24mm，且轧制热变形的第二火次的形变量为90％，并冷却至室温，然后在810℃下保温0.5h进行固溶处理，空冷至室温后出炉进行轧制预变形直至直径Ф为20mm，控制轧制预变形的形变量为31％，并空冷至室温，再在510℃下保温8h进行时效热处理，得到TB9钛合金线材。
对本发明实施例1～实施例6和对比例1～对比例6得到的TB9钛合金线材的力学性能进行检测，结果如下表1所示。
表1
Figure BDA0003082262970000081
Figure BDA0003082262970000091
表中的“—”表示没有此项检测数据。
从表1可知，从实施例1～6可知，本发明实施例1～6中经轧制预变形结合时效热处理后的TB9钛合金线材的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2较经固溶处理后的TB9线材得到大幅提高，而断后伸长率A和端面收缩率Z较经固溶处理后的B9线材大幅降低，说明轧制预变形结合时效热处理有效改善了TB9钛合金线材的力学性能，提高了TB9钛合金线材的强塑性匹配性能。
从实施例3～4和对应的对比例4～5可知，相对于对比例3～6中采用轧制热变形后固溶处理、结合时效热处理的工艺，本发明实施例3～4中在固溶处理后增加轧制预变形的工艺，再进行时效热处理，得到的TB9钛合金线材的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均大幅升高，而断后伸长率A和端面收缩率Z均大部分降低，说明本发明通过轧制预变形工艺，消除了固溶过程中由于加热引起的晶粒增长，并在其组织内部形成大量新的晶格缺陷和内应力，促进了后续的时效热处理过程中α相的生成和析出，从而提高了大规格TB9钛合金线材的强度，改善了大规格TB9钛合金线材在时效后的强塑性匹配，实现了对大规格TB9钛合金线材的性能调控。
将对比例1与对比例2比较可知，随着轧制热变形温度的升高，TB9钛合金线材的抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均有所降低，但断后伸长率A和端面收缩率Z均升高，说明升高轧制热变形温度，使得TB9钛合金线材的强度降低且塑性升高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，该方法的具体过程为：将TB9钛合金棒材进行轧制热变形，并冷却至室温，然后进行固溶处理，出炉后进行轧制预变形，并冷却至室温，再进行低温长时间的时效热处理，得到TB9钛合金线材；所述TB9钛合金线材的横截面直径为19mm～27mm。
2.根据权利要求1所述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述轧制热变形为两火次下多道次轧制，且轧制热变形的加热温度为TB9钛合金的β相转变温度Tβ以上30℃～150℃，控制轧制热变形的第二火次的形变量为60％～90％；所述轧制热变形采用孔型棒材轧机进行。
3.根据权利要求1所述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为TB9钛合金的β相转变温度Tβ以上30℃～80℃，保温时间为0.5h～2h。
4.根据权利要求1所述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述轧制预变形的形变量为15％～40％，然后采用空冷或水冷冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的一种大规格TB9钛合金线材的性能调控方法，其特征在于，所述时效热处理的温度为460℃～560℃，保温时间为8h～16h。
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