CN113862515B - 一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法，该方法是针对含W、Si、Ta的新型Ti2AlNb合金在两相区热加工制备获得初始坯料后，通过第一阶段固溶热处理、第二阶段循环热处理和第三阶段稳定化时效热处理后，获得等轴α2相和块状B相+O相的混合多相特征组织，可以同时获得强度和塑性的良好匹配。本发明通过在复合合金化Ti2AlNb合金应用多重热处理工序，完成微观组织调控和优化，可以明显提高Ti2AlNb合金的强度力学性能，同时保证其具有较好塑性。

Description

一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法
技术领域
本发明是一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法，属于金属材料制备领域。
背景技术
随着新型航空发动机对高温钛合金材料服役性能的要求不断提高，更优力学性能的高温钛合金结构材料亟需被开发。作为Ti-Al-Nb合金体系之一的含O 相Ti2AlNb合金由于其所具有的较低密度、高比强度、优异高温力学性能等特点，可以满足新型航空发动机的高标准性能要求，被列为650℃以上高温结构材料的重要选材之一。
650℃以上热强性能是Ti2AlNb合金关注的重要性能指标之一，在Ti-Al-Nb 合金体系已有研究分别添加W、Si、Ta等合金元素进行综合力学性能优化的开发研究工作，对提升Ti2AlNb合金的综合力学性能具有明显效果。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种复合合金化Ti2AlNb 合金多重强化热处理方法，该方法是针对多元素的复合合金化Ti2AlNb合金而设计的配套热处理工艺，其目的是充分发挥多合金元素强化效果，进一步平衡其强度和塑性性能指标。
为实现上述目的，本发明技术方案的内容如下：
该种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法中所述的Ti2AlNb合金的化学成分及原子百分比为：Al 20％～25％，Nb 20％～25％，W+Si+Ta 0.5％～2.5％，余量为Ti，该方法的步骤如下：
步骤一、Ti2AlNb合金热处理前状态要求与验证；
待热处理前的Ti2AlNb合金坯料为α2+β/B2两相区热加工特征组织，其中具有不少于5％体积分数的等轴α2相及β/B2相转变基体组织，该坯料的最后一次热加工塑性变形量应达到20％～50％；
步骤二、Ti2AlNb合金热处理前相变点测试与评估；
对Ti2AlNb合金坯料进行相变点测定，测试三个关键相变点温度，分别为：β/B2→α2+β/B2相变点温度为T1，α2+β/B2→α2+β/B2+O相变点温度为T2，α2+β/B2+O→β/B2+O相变温度为T3；
步骤三、第一阶段α2+β/B2两相区固溶热处理；
以T1-30℃～T1-50℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间t1 min，(0.5D-30)min≤t1≤(0.5D+30)min，D为Ti2AlNb合金坯料的最小截面尺寸，单位 mm，固溶热处理后采用水冷、油冷或风冷方式快速冷却至室温；
步骤四、第二阶段α2+β/B2+O三相区循环热处理；
以T3+10℃～T2-20℃为热处理温度范围进行循环热处理，过程是将Ti2AlNb 合金坯料将加热至T2-20℃，保温时间10～20h，炉冷至T3+10℃，保温10～20h，再次加热至T2-20℃，重复上述操作2个周次以上后空冷至室温；
步骤五、第三阶段β/B2+O两相区稳定化时效处理；
以700℃～850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，该稳定化时效处理温度不得高于T3，保温时间为20～30h，完成后空冷至室温。
在实施中，步骤二中所述相变点测定的方法是将数个材料样品加热至 1150℃保温1h后，再将材料样品分别放在更低温度保温1h后水冷，所述更低温度为1150℃以下的依次间隔10～20℃的温度点，然后根据各类型相的相变确定相变点温度。
本发明技术方案的特点及有益的技术效果为：
1、本发明技术方案通过三个阶段的热处理工艺设计和组合，可以充分发挥合金化对Ti2AlNb合金的强化效果，获得均匀的复相基体组织，并平衡强度和塑性性能指标，获得优异的综合力学性能，对Ti2AlNb合金的微观组织调控和性能优化具有重要的工程应用价值。
2、本发明技术方案利用Ti2AlNb合金的相变规律和合金化特点，使用常规热处理炉即可完成，在实际应用中具有较高的可行性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明实施中的热处理前的Ti2AlNb合金坯料棒材金相组织
图2为本发明实施中的热处理后的Ti2AlNb合金块状β/B2相转变基体组织
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例以Ti6242钛合金的120℃保载疲劳性能评估为例，实测120℃时 Ti6242钛合金在650MPa下的保载疲劳寿命失效周期超过10万周次(未断，终止测试)，单个试样测试周期长达141.2天，单个试样测试成本超过40万元，采用本发明所设计的多重强化热处理方法的步骤如下：
一、Ti2AlNb合金热处理前状态要求与评估：
确认待热处理Ti2AlNb合金为多合金元素复合化类型Ti2AlNb合金，该 Ti2AlNb合金的化学成分及原子百分比为：Al 21.5％，Nb 20.9％，W+Si+Ta 1.3％，余量为Ti；
热处理前的Ti2AlNb合金坯料为α2+β/B2两相区热加工特征组织，如图1 所示，具有8％体积分数的等轴α2相及β/B2相转变基体组织，最后一次热加工塑性变形量30％；
二、对Ti2AlNb合金坯料进行综合相变点测定，将相变点材料样品集中加热至1150℃保温1h后分别在更低温度保温1h后水冷，温度选取的间隔 10～20℃，根据各类型相形成规律判断相转变温度，测试三个关键相变点温度，其中β/B2→α2+β/B2相变点温度T1为1090℃，α2+β/B2→α2+β/B2+O相变点温度T2为990℃，α2+β/B2+O→β/B2+O相变温度T3为930℃；
三、第一阶段α2+β/B2两相区固溶热处理：
以1050℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间120min，热处理后可采用风冷方式快速冷却至室温；
四、第二阶段α2+β/B2+O三相区循环热处理：
以940℃～970℃为热处理温度范围进行循环热处理，即将合金坯料加热至 970℃，保温时间12h，炉冷至940℃，保温保温时间12h，再次加热至970℃，重复相同保温温度和保温时间，循环2个周次，完成后空冷至室温；
五、第三阶段β/B2+O两相区稳定化时效处理：
以850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，保温时间24h，完成后空冷至室温。热处理后的Ti2AlNb合金块状β/B2相转变基体组织如图2所示。

Claims (2)

1.一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法，其特征在于：所述Ti2AlNb合金的化学成分及原子百分比为：Al 20％～25％，Nb 20％～25％，W+Si+Ta0.5％～2.5％，余量为Ti，该方法的步骤如下：
步骤一、Ti2AlNb合金热处理前状态要求与验证；
待热处理前的Ti2AlNb合金坯料为α2+β/B2两相区热加工特征组织，其中具有不少于5％体积分数的等轴α2相及β/B2相转变基体组织，该坯料的最后一次热加工塑性变形量应达到20％～50％；
步骤二、Ti2 AlNb合金热处理前相变点测试与评估；
对Ti2AlNb合金坯料进行相变点测定，测试三个关键相变点温度，分别为：β/B2→α2+β/B2相变点温度为T1，α2+β/B2→α2+β/B2+O相变点温度为T2，α2+β/B2+O→β/B2+O相变温度为T3；
步骤三、第一阶段α2+β/B2两相区固溶热处理；
以T1-30℃～T1-50℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间t1 min，(0.5D-30)min≤t1≤(0.5D+30)min，D为Ti2AlNb合金坯料的最小截面尺寸，单位mm，固溶热处理后采用水冷、油冷或风冷方式快速冷却至室温；
步骤四、第二阶段α2+β/B2+O三相区循环热处理；
以T3+10℃～T2-20℃为热处理温度范围进行循环热处理，过程是将Ti2AlNb合金坯料将加热至T2-20℃，保温时间10～20h，炉冷至T3+10℃，保温10～20h，再次加热至T2-20℃，重复上述操作2个周次以上后空冷至室温；
步骤五、第三阶段β/B2+O两相区稳定化时效处理；
以700℃～850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，该稳定化时效处理温度不得高于T3，保温时间为20～30h，完成后空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法，其特征在于：步骤二中所述相变点测定的方法是将数个材料样品加热至1150℃保温1h后，再将材料样品分别放在更低温度保温1h后水冷，所述更低温度为1150℃以下的依次间隔10～20℃的温度点，然后根据各类型相的相变确定相变点温度。
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