CN113862512A - 一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，本发明的新型双态组织高强韧高温钛合金中大量α稳定元素(铝(Al)、锡(Sn)、锆(Zr))的添加可以起到强化作用，在提高钛合金强度的同时稳定α相，促进板条α相的析出，有利于热加工过程中板条α相的球化；适量的β稳定元素(钼(Mo)、硅(Si)、钨(W))可以在补充强化的同时提高钛合金持久和蠕变性能；硼(B)与钛(Ti)结合生成TiB相，由于TiB相在钛合金α相和β相中固溶度极低，几乎完全不溶于钛合金基体，而是以短棒状独立存在于晶界处，在热加工过程中可以有效抑制β晶粒的长大。本发明的技术方案中的新型高强韧高温钛合金无需α+β两相区或α单相区变形即可获得所需要的双态组织。

Description

一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法

技术领域

本发明属于钛基合金领域，具体涉及到一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法。

背景技术

钛合金因其具有低密度、高比强度、良好的抗腐蚀性能和高温性能等特点，而在航空、航天等领域得到广泛应用。根据合金中等轴α相的比例可将高温钛合金的组织分为三类：等轴组织、双态组织和片层组织，其中网篮组织和魏氏组织统称为片层组织。等轴α组织具有良好的拉伸塑性和疲劳强度，但是持久和蠕变强度比片层组织要差。双态组织可通过控制等轴α相的含量调节材料的性能，目前航空用近α型高温钛合金一般采用等轴α相体积分数占5％～30％的双态组织，这类组织的强度、塑性、蠕变和疲劳等性能匹配良好。

在传统钛合金加工领域中，等轴α相是通过板条α相经α+β两相区或α单相区变形球化得到的。板条状α相与原始β晶粒或残留β相之间符合Burgers取向关系：{110}_β//{0001}_α，<111>_β//<11-20>_α。当钛合金的终锻温度低于α+β两相区时，板条α相通过动态再结晶或晶界分离等机制发生球化，合金中残留β相与周围α相的Burgers取向关系被破坏。

发明内容

为解决上述技术问题，提出了一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，无需α+β两相区或α单相区变形，解决钛合金需要通过复杂热变形才能得到双态组织的问题。本发明首先通过β相区开坯及热变形，以达到使组织均匀化及细化晶粒的作用；随后通过第一重热处理，可以析出大量等轴α相；通过第二重热处理，使部分等轴α相分解，通过α→β→α相变过程析出部分板条α相，得到双态组织；通过第三重热处理，消除残余应力，稳定锻件形状及尺寸。具体技术方案如下：

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，制造新型双态组织高强韧高温钛合金中所述的高强韧高温钛合金的质量百分比为，Al：4.00％～7.00％，Zr：2.00％～6.00％，Sn：1.00％～4.00％，Mo：2.00％～5.00％，Si：0.10％～2.00％，W：0.10％～2.50％，B：0.50％～5.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

所述的新型高强韧高温钛合金，按质量百分比计，合金成分优选为，Al：6.00％～7.00％，Zr：3.00％～5.00％，Sn：1.00％～3.00％，Mo：3.00％～4.00％，Si：0.20～1.00％，W：0.40％～1.50％，B：1.00％～3.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

所述的新型高强韧高温钛合金加工制造方法，冶炼工艺如下：

原材料采用0～1级海绵钛，合金元素Mo、Sn、W、Si和B以中间合金形式加入，Al部分由中间合金带入，不足部分以纯Al加入；Zr以海绵Zr形式加入；上述材料经配料、混料后用压机压制成电极；将电极组焊在一起，在真空自耗炉中熔炼2～3次，制成合金铸锭。

所述的新型高强韧高温钛合金加工制造方法，热加工工艺如下：

步骤一：将合金铸锭在α/β相变点T_β以上20～150℃加热，进行2～4火次的镦、拔变形，加热温度随锻造火次逐渐降低，每火次锻比不小于3，总锻比不小于8；

步骤二：将锻造坯料在T_β-15℃～T_β+15℃范围内进行第一重热处理，热透后保温1～4h后以0.5℃/min～3℃/min速率慢冷，即可得到大量等轴α相；

步骤三：将热处理后合金在低于步骤一热处理温度20℃以上，且在T_β-50℃～T_β-20℃范围内进行第二重热处理，热透后保温1～4h后水冷或油冷，即可得到双态组织；

步骤四：在500～700℃进行时效处理，保温6～40h后空冷，以消除残余应力。

所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，优选方案为，步骤一中所述合金经β相区热变形后其显微组织中原始β晶粒尺寸不大于1000μm；进一步优选的，步骤一中所述合金经β相区热变形后其显微组织中原始β晶粒尺寸不大于500μm。

所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，优选方案为，步骤二中所述合金组织中等轴α相的体积分数不低于50％；步骤三中所述合金组织中等轴α相的体积分数不低于10％；进一步优选的，步骤三中所述合金组织中等轴α相的体积分数不低于25％。

所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，优选方案为，步骤二和步骤三合金铸锭的热透时间＝η₁×δ_max，η₁为加热系数＝0.6～1mm/min，δ_max为合金铸锭的最大截面厚度，单位为mm。

所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，优选方案为，上述热加工采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±5℃以内；进一步优选的，上述热加工采用电炉加热且炉温的有效工作区温差控制在±3℃以内。

本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系的选择，是经过长期以来的深入研究和反复试验验证所得出的，其设计理念如下：

1)铝(Al)：4.00％～7.00％。Al是钛合金中最常用的α稳定元素，具有稳定α相与提高α/β相变点的作用，当Al含量≥4％时，Al含量的增大可以明显提高钛合金室温、高温强度。但Al含量的过度提高不利于钛合金塑性及热稳定性，Al含量的增大会促进脆性Ti3Al相的析出，会导致材料塑性及热稳定性显著降低。因此本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，Al含量控制在4.00％～7.00％，并优选为6.00％～7.00％，以获得良好的α稳定性及强塑性间的良好匹配。

2)锆(Zr)：2.00％～6.00％。Zr在钛合金中属于中性元素，在α相与β相中均有较高固溶度，对两相均可起到强化作用，但Zr含量过高时对钛合金的抗氧化性有不利影响。为使所添加Zr含量在起到强化作用的同时不会过度影响合金抗氧化性，本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，Zr含量控制在2.00％～6.00％，并优选为3.00％～5.00％。

3)锡(Sn)：1.00％～4.00％。Sn在钛合金中同样属于中性元素，在α相与β相中均有较高固溶度，与Al、Zr等元素一起添加可以起到补充强化的作用，并且适量Sn的添加还能降低钛合金对氢脆的敏感性，在本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，Sn含量应控制在1.00％～4.00％，并优选为1.00％～3.00％。

4)钼(Mo)：2.00％～5.00％。Mo是钛合金中最常用的β稳定元素，也是有效的强化元素，提高钛合金强度的同时，还可以改善蠕变和持久性能，本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，Zr含量控制在2.00％～5.00％，并优选为3.00％～4.00％。

5)硅(Si)：0.10％～2.00％。Si是钛合金中常见的微量合金化元素，目前国内外高温钛合金大多添加适量Si，以保证钛合金持久与蠕变性能。时效过程中，在板条α相界面处有硅化物析出，对板条α相起到钉扎作用，有利于合金蠕变性能的提高。但Si与Al之间有较强相互作用，本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，Si含量应严格控制在0.10％～2.00％，并优选为0.20％～1.00％。

6)钨(W)：0.10％～2.50％。W是钛合金中一种较强的β稳定元素，对α相与β相均有一定强化作用，适量W的添加可以提高钛合金耐热性能，有利于钛合金持久和蠕变性能的提升。本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，W含量控制在0.10％～2.50％，并优选为0.40％～1.50％。

7)硼(B)：0.50％～5.00％。B元素通常与Ti相结合，以短棒状TiB相的形式于原始β晶界处析出，可以起到细化晶粒、抑制β晶粒不均匀生长、分担载荷、阻碍裂纹扩展的作用等作用，随着B含量的增大，钛合金室温、高温强度与持久、蠕变性能都得到显著提高。同时，TiB相还可以为α相的形核提供异质形核点，α相可以在TiB相表面直接形核，从而析出大量等轴状非Burgersα相，使α相晶体取向随机化并降低α织构强度。因此本发明的新型高强韧高温钛合金无需α+β两相区或α单相区变形即可获得所需要的等轴或双态组织。但过量B的添加对钛合金塑性具有不利影响，本发明的新型高强韧高温钛合金中元素成分体系中，B含量控制在0.50％～5.0％，并优选为1.00％～3.00％。

本发明与现有技术相比具有的优点和有益效果：

1)本发明的新型高强韧高温钛合金无需α+β两相区或α单相区变形即可获得等轴或双态组织；使热加工工艺得到加大简化。

合金中大量α稳定元素(铝(Al)、锡(Sn)、锆(Zr))的添加可以起到强化作用，在提高钛合金强度的同时稳定α相，促进板条α相的析出，有利于热加工过程中板条α相的球化；适量的β稳定元素(钼(Mo)、硅(Si)、钨(W))可以在补充强化的同时提高钛合金持久和蠕变性能；硼(B)与钛(Ti)结合生成TiB相，由于TiB相在钛合金α相和β相中固溶度极低，几乎完全不溶于钛合金基体，而是以短棒状独立存在于晶界处，在热加工过程中可以有效抑制β晶粒的长大；

2)本发明的新型高强韧高温钛合金在β相区热加工可以破碎粗大的原始β晶粒；所采用的多火次逐级降温锻造方法可以在细化晶粒的同时，最大限度的避免锻造过程中发生不均匀变形及锻造开裂；TiB相在晶界分布的特性可以抑制加热过程中β晶粒的长大及不均匀生长；

3)在此新型高强韧高温钛合金中，TiB相不仅可以起到分担载荷、阻碍裂纹扩展、细化晶粒以及抑制晶粒的不均匀生长等作用，还可以为α相的形核提供异质形核点。α相可以在TiB表面直接形核，形成与β相无取向关系的轴状非Burgersα相，使α相晶体取向随机化，从而降低α织构强度。热处理后以较慢速度冷却，TiB的引入使α/β间取向关系被破坏，基体中同样可以析出大量等轴状非Burgersα相；

3)传统钛合金铸锭为得到等轴或双态组织经β相区热加工后，还需要经过复杂的α+β两相区热变形，本发明的新型高强韧高温钛合金无需两相区变形即可获得双态组织，使热加工工艺得到加大简化；

4)本发明的新型高强韧高温钛合金在β相区热加工可以破碎粗大的原始β晶粒；所采用的多火次逐级降温锻造方法可以在细化晶粒的同时，最大限度的避免锻造过程中发生不均匀变形及锻造开裂；TiB相在晶界分布的特性可以抑制加热过程中β晶粒的长大及不均匀生长；

5)本发明的新型高强韧高温钛合金通过热处理得到的等轴或双态组织中析出大量等轴状非Burgersα相，α/β间取向关系被破坏，使α相晶体取向随机化。

附图说明

图1为本发明实施例1锻件热处理后显微组织照片；

图2为本发明实施例2锻件热处理后显微组织照片；

图3为本发明实施例3锻件热处理后显微组织照片；

图4为本发明实施例4锻件热处理后显微组织照片。

具体实施方式

实施例1：

直径为490mm的钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.50％，Mo：4.0％，Zr：4.00％，Sn：1.00％，W：1％，Si：0.5％，B：1.5％，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990℃。铸锭最大截面尺寸为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：合金铸锭加热至1200℃，保温24小时后出炉，在水压机上完成1次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为3，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理；然后将坯料加热至1040℃，进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为3，锻后空冷；然后将坯料加热至1020℃，进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为2.5，锻后空冷，得到锻坯；

步骤二：将步骤一所得锻坯在1000℃进行第一重热处理，热透后保温2h后以1℃/S速率慢冷；

步骤三：然后将合金在960℃进行第二重热处理，热透后保温3h后空冷；

步骤四：最后将合金在600℃保温12h后空冷，得到双态组织。

实施例2：

直径为300mm的钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.20％，Mo：3.5％，Zr：3.0％，Sn：2.00％，W：0.8％，Si：0.2％，B：1.0％，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980℃。铸锭最大截面尺寸为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：合金铸锭加热至1080℃，保温24小时后出炉，在水压机上完成1次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为4，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理；然后将坯料加热至1030℃，进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为3，锻后空冷；然后将坯料加热至1000℃，进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为2.5，锻后空冷，得到锻坯；

步骤二：将步骤一所得锻坯在970℃进行第一重热处理，热透后保温2h后以0.5℃/S速率慢冷；

步骤三：然后将合金在930℃进行第二重热处理，热透后保温3h后空冷；

步骤四：最后将合金在550℃保温12h后空冷，得到双态组织。

实施例3：

直径为540mm的钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.50％，Mo：4.0％，Zr：4.00％，Sn：1.00％，W：1％，Si：0.5％，B：2.5％，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995℃。铸锭最大截面尺寸为100mm，合金的热透系数η₁选取0.8mm/min，计算得到热透时间为80min；

步骤一：合金铸锭加热至1200℃，保温24小时后出炉，在水压机上完成1次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为4，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理；然后将坯料加热至1050℃，进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为4，锻后空冷；然后将坯料加热至1030℃，进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为3，锻后空冷，得到锻坯；

步骤二：将步骤一所得锻坯在980℃进行第一重热处理，热透后保温2h后以2℃/S速率慢冷；

步骤三：然后将合金在950℃进行第二重热处理，热透后保温3h后油冷；

步骤四：最后将合金在650℃保温12h后空冷，得到双态组织。

实施例4：

直径为600mm的钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.00％，Mo：3.0％，Zr：4.0％，Sn：2.00％，W：0.5％，Si：0.5％，B：3.0％，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1000℃。铸锭最大截面尺寸为100mm，合金的热透系数η₁选取1mm/min，计算得到热透时间为100min；

步骤一：合金铸锭加热至1200℃，保温24小时后出炉，在水压机上完成1次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为4，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理；然后将坯料加热至1060℃，进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为4，锻后空冷；然后将坯料加热至1030℃，进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为3.5，锻后空冷，得到锻坯；

步骤二：将步骤一所得锻坯在1015℃进行第一重热处理，热透后保温2h后以1℃/S速率随炉冷却；

步骤三：然后将合金在975℃进行第二重热处理，热透后保温3h后空冷；

步骤四：最后将合金在550℃保温12h后空冷，得到双态组织。

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)

1.一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，其特征在于：

1)制造新型双态组织高强韧高温钛合金中所述的高强韧高温钛合金的质量百分比为，Al：4.00％～7.00％，Zr：2.00％～6.00％，Sn：1.00％～4.00％，Mo：2.00％～5.00％，Si：0.10％～2.00％，W：0.10％～2.50％，B：0.50％～5.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；

2)所述的新型双态组织高强韧高温钛合金冶炼工艺如下：原材料采用0～1级海绵钛，合金元素Mo、Sn、W、Si和B以中间合金形式加入，Al部分由中间合金带入，不足部分以纯Al加入；Zr以海绵Zr形式加入；上述材料经配料、混料后用压机压制成电极；将电极组焊在一起，在真空自耗炉中熔炼2～3次，制成合金铸锭；

3)所述新型双态组织高强韧高温钛合金，无需进行两相区热变形，仅通过β相区热变形与后续相应热处理即可得到双态组织，其热加工工艺如下：

步骤一：将合金铸锭在α/β相变点T_β以上20～150℃加热，进行2～4火次的镦、拔变形，加热温度随锻造火次逐渐降低，每火次锻比不小于3，总锻比不小于8；

步骤二：将锻造坯料在T_β-15℃～T_β+15℃范围内进行第一重热处理，热透后保温1～4h后以0.5℃/min～3℃/min速率慢冷，即可得到大量等轴α相；

步骤三：将热处理后合金在低于步骤一热处理温度20℃以上，且在T_β-50℃～T_β-20℃范围内进行第二重热处理，热透后保温1～4h后水冷或油冷，即可得到双态组织；

步骤四：在500～700℃进行时效处理，保温6～40h后空冷，以消除残余应力。

2.按照权利要求1所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，其特征在于：3)热加工工艺中合金经步骤一所述β相区热变形后其显微组织中原始β晶粒尺寸不大于1000μm。

3.按照权利要求1所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，其特征在于：3)热加工工艺中合金步骤二所述热处理后组织中等轴α相的体积分数不低于50％；3)热加工工艺中合金步骤三所述热处理后组织中等轴α相的体积分数不低于10％。

4.按照权利要求1所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，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±5℃以内。

5.按照权利要求1所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，其特征在于：所述新型双态组织高强韧高温钛合金室温拉伸强度应不低于1200Mpa，550℃/450Mpa条件下持久性能不低于200h。

6.按照权利要求1所述的一种新型双态组织高强韧高温钛合金的加工制造方法，其特征在于：所述的新型高强韧高温钛合金，按质量百分比计，合金成分优选为，Al：6.00％～7.00％，Zr：3.00％～5.00％，Sn：1.00％～3.00％，Mo：3.00％～4.00％，Si：0.20～1.00％，W：0.40％～1.50％，B：1.00％～3.00％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

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