CN114351067B - 一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法 - Google Patents

一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，采用线切割方法制备TC21钛合金板状试样，该TC21钛合金为α+β型钛合金，采用脉冲电流快速加热技术在高强韧TC21钛合金中实现双组织的可控制备，并通过后续热处理进一步调控合金的微观组织，从而显著提高双组织钛合金的强塑性匹配，可使其强度提升37.2‑177MPa，塑性提升50.8‑144.7％。

Description

一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法
技术领域
本发明属于合金材料热处理技术领域，具体涉及一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法。
背景技术
在航空航天领域采用整体结构件已经成为提高结构效率和减重的重要途径和举措，目前在飞行器上采用整体结构件已经达到了减重30％的效果。而钛合金由于密度小、比强度高、抗疲劳损伤和断裂韧性好等特点，已广泛应用于起落装置、飞机机身和压气机叶盘等关键结构件。
双组织钛合金因为良好的减重作用被应用到一些整体构件中，但整体构件不同部位的微观组织和力学性能有较大差异，因此构件的过渡区域组织特征及其对合金强塑性的影响规律成为了整体构件研究的重要部分。目前，在双组织钛合金整体结构件的力学性能研究以及推广应用中，面临的重要问题就是强塑性的匹配问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法。本发明在TC21钛合金中采用高能脉冲电流热处理的方法制备出双组织合金试样，并通过后续热处理的方式同步提高合金的强度和塑性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用电火花线切割方法将钛合金切割成板状试样，并对其进行表面预处理，所述合金试样为TC21钛合金，是一种α+β型双相钛合金，其名义成分是Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si；
步骤2：将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
步骤3：接通脉冲电流加热系统电源，调整脉冲频率、脉冲充电电压，利用电阻加热形成温度梯度特征，对钛合金板状试样进行电脉冲加热，并空冷至室温，所述脉冲电流处理的参数为：脉冲频率500HZ，脉冲充电电压45V-50V，持续加热时间5min；
步骤4：将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式马弗炉中进行分步淬火处理，所述分步淬火处理具体做法为：
首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达800-900℃和400-600℃；
然后将钛合金板状试样放入温度恒定的800-900℃的箱式马弗炉中保温0.5-2h，再将其放入温度恒定的400-600℃的箱式马弗炉中保温1-2h；
最后取出试样在水中冷却至室温。
进一步地，步骤1所述表面预处理具体做法为：用砂纸对钛合金板状试样表面进行打磨，从粗磨到细磨，去除表面机加工痕迹，再用无水乙醇清洗试样表面，干燥备用。
进一步地，所述步骤2的具体做法为：用正负电极夹具将待加热试样夹持固定在电路中，夹具为纯铜材质，尺寸是78×40×4mm，调整待加热试样在电路中的夹持部位，以制备双组织钛合金试样。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用脉冲电流加热这种局部区域快速加热的方法制备了α相从等轴状逐渐过渡为片层状的双组织TC21钛合金，避免了双组织之间的组织突变，达到组织稳定的效果；同时采用分步淬火工艺进一步调控合金的微观组织，在合金强度提高37.2-177MPa的同时，合金塑性提升50.8-144.7％，达到了协同改善双组织TC21钛合金强塑性的目的。
附图说明
图1是45V充电电压下双组织TC21钛合金的过渡区形貌；
图2是45V充电电压下双组织TC21钛合金不同区域的微观组织；
图3是45V-5min+800℃/2h+400℃/2h处理下TC21钛合金的室温拉伸曲线；
图4是45V-5min+850℃/2h+400℃/2h处理下TC21钛合金的室温拉伸曲线；
图5是45V-5min+900℃/1h+500℃/1.5h处理下TC21钛合金的室温拉伸曲线；
图6是48V-5min充电电压下制备的双组织TC21钛合金的过渡区形貌；
图7a和图7b分别是900℃/0.5h+600℃/1h和900℃/0.5h+500℃/1h处理下TC21钛合金的片层组织形貌；
图8是50V充电电压下双组织TC21钛合金的过渡区形貌；
图9是50V充电电压下双组织TC21钛合金不同区域的微观组织；
图10是50V-5min+800℃/2h+400℃/2h处理下TC21钛合金的室温拉伸曲线。
具体实施方式
下面结合附图分别以TC21钛合金板状试样为例，对利用电脉冲加热制备双组织合金以及利用分步淬火方式显著改善其强塑性的具体实施做进一步的详细说明。
一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采用电火花线切割方法将钛合金切割成板状试样，并对其进行表面预处理，所述合金试样为TC21钛合金，是一种α+β型双相钛合金，其名义成分是Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si；表面预处理具体过程为：用砂纸对钛合金板状试样表面进行打磨，从粗磨到细磨，去除表面机加工痕迹，再用无水乙醇清洗试样表面，干燥备用；
步骤2：将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中，具体做法为：用正负电极夹具将待加热试样夹持固定在电路中，夹具为纯铜材质，尺寸是78×40×4mm，调整待加热试样在电路中的夹持部位，以制备双组织钛合金试样；
步骤3：接通脉冲电流加热系统电源，调整脉冲频率、脉冲充电电压，利用电阻加热形成温度梯度特征，对钛合金板状试样进行电脉冲加热，并空冷至室温，脉冲电流处理的参数为：脉冲频率500HZ，脉冲充电电压45V-50V，持续加热时间5min；
步骤4：将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式马弗炉中进行分步淬火处理，具体做法为：首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达800-900℃和400-600℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的800-900℃的箱式加热炉中保温0.5-2h，再将其放入温度恒定的400-600℃的箱式加热炉中保温1-2h，最后取出试样在水中冷却至室温。
实施例1
(1)选取长度约70mm的TC21钛合金板状试样，利用金相砂纸对钛合金板状试样表面打磨，并用无水乙醇清洗，干燥备用；
(2)将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
(3)接通脉冲电流加热系统电源，打开脉冲电源开关，调节脉冲充电电压为45V，脉冲频率为500Hz，持续加热时间5min，随后空冷至室温；
(4)将脉冲电流加热处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验；
(5)将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式炉中进行分步淬火处理，具体做法为：首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达800℃和400℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的800℃的热处理炉中保温2h，再将其放入温度恒定的400℃的热处理炉中保温2h，最后取出试样在水中冷却至室温；
(6)将分步淬火处理后的板状试样经过粗磨、细磨和电解抛光后，利用HF:HNO3:H2O按照1:2:5的混合溶液进行腐蚀，得到双组织TC21钛合金试样的过渡区形貌图，如图1所示；得到双组织TC21钛合金不同区域微观组织，如图2所示，图2-a为双态组织，图2-b为过渡区双组织，图2-c为全片层组织；
(7)将分步淬火处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验，拉伸曲线如图3所示。其中脉冲电压45V下制备的双组织钛合金经800℃/2h+400℃/2h分步淬火处理后，强度提升44.2MPa，塑性提升50.8％。说明采用电脉冲加热制备双组织钛合金，并通过后续分步淬火处理，能够显著提升双组织TC21钛合金的强塑性。
实施例2
(1)选取长度约70mm的TC21钛合金板状试样，利用金相砂纸对钛合金板状试样表面打磨，并用无水乙醇清洗，干燥备用；
(2)将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
(3)接通脉冲电流加热系统电源，打开脉冲电源开关，调节脉冲充电电压为45V，脉冲频率为500Hz，持续加热时间5min，随后空冷至室温；
(4)将脉冲电流加热处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验；
(5)将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式炉中进行分步淬火处理，具体做法为：首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达850℃和400℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的850℃的热处理炉中保温2h，再将其放入温度恒定的400℃的热处理炉中保温2h，最后取出试样在水中冷却至室温；
(6)将分步淬火处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验，拉伸曲线如图4所示。其中脉冲电压45V下制备的双组织钛合金经850℃/2h+400℃/2h分步淬火处理后，强度提升168MPa，塑性提升63.2％。说明采用电脉冲加热制备双组织钛合金，并通过后续分步淬火处理，能够显著提升双组织TC21钛合金的强塑性。
实施例3
(1)选取长度约70mm的TC21钛合金板状试样，利用金相砂纸对钛合金板状试样表面打磨，并用无水乙醇清洗，干燥备用；
(2)将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
(3)接通脉冲电流加热系统电源，打开脉冲电源开关，调节脉冲充电电压为45V，脉冲频率为500Hz，持续加热时间5min，随后空冷至室温；
(4)将脉冲电流加热处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验；
(5)将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式炉中进行分步淬火处理，具体做法为：首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达900℃和500℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的900℃的热处理炉中保温1h，再将其放入温度恒定的500℃的热处理炉中保温1.5h，最后取出试样在水中冷却至室温；
(6)将分步淬火处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验，拉伸曲线如图5所示。其中脉冲电压45V下制备的双组织钛合金经900℃/1h+500℃/1.5h分步淬火处理后，强度提升177MPa，塑性提升66％。说明采用电脉冲加热制备双组织钛合金，并通过后续分步淬火处理，能够显著提升双组织TC21钛合金的强塑性。
实例4
(1)选取长度约70mm的TC21钛合金板状试样，利用金相砂纸对钛合金板状试样表面打磨，并用无水乙醇清洗，干燥备用；
(2)将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
(3)接通脉冲电流加热系统电源，打开脉冲电源开关，调节脉冲充电电压为48V，脉冲频率为500Hz，持续加热时间5min，随后空冷至室温；
(4)图6为脉冲电压48V保温5分钟后空冷制备的双组织结构形貌图；
(5)将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达900℃和600℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的900℃的热处理炉中保温0.5h，再将其放入温度恒定的600℃的热处理炉中保温1h，最后取出试样在水中冷却至室温，图7a为水淬火后的片层组织形貌；
(6)将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达900℃和500℃，随后将钛合金板状试样放入温度恒定的900℃的热处理炉中保温0.5h，再将其放入温度恒定的500℃的热处理炉中保温1h，最后取出试样在水中冷却至室温，图7b为水淬火后的片层组织形貌；
(7)根据上述实验结果可知，采用脉冲电压48V加热5分钟，可以成功制备出双组织结构TC21钛合金，如图6所示。利用900℃/0.5h+600℃/1h和900℃/0.5h+500℃/1h热处理工艺，均可以获得纳米尺寸α相均匀分布的片层组织，分别如图7a和图7b所示。根据其他实例可知，对于该参数下的双组织结构，并通过后续分步淬火处理，能够提升双组织TC21钛合金的强塑性。
实施例5
(1)选取长度约70mm的TC21钛合金板状试样，利用金相砂纸对钛合金板状试样表面打磨，并用无水乙醇清洗，干燥备用；
(2)将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
(3)接通脉冲电流加热系统电源，打开脉冲电源开关，调节脉冲充电电压为50V，脉冲频率为500Hz，持续加热时间5min，随后空冷至室温；
(4)将脉冲电流加热处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验；
(5)将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式炉中进行分步淬火处理，具体做法为：首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达800℃和400℃；随后将钛合金板状试样放入温度恒定的800℃的热处理炉中保温2h，再将其放入温度恒定的400℃的热处理炉中保温2h，最后取出试样在水中冷却至室温；
(6)将分步淬火处理后的钛合金板状试样经过粗磨、细磨和电解抛光后，利用HF:HNO3:H2O按照1:2:5的混合溶液进行腐蚀，得到双组织TC21钛合金试样的过渡区形貌图，如图8所示。得到双组织TC21钛合金不同区域微观组织，如图9所示，图9-a为双态组织，图9-b为过渡区双组织，图9-c为全片层组织；
(7)将分步淬火处理后的钛合金板状试样线切割制备成为拉伸试样，经粗磨、细磨后，进行室温拉伸实验，拉伸曲线如图10所示。其中50V电压下制备的双组织钛合金经800℃/2h+400℃/2h分步淬火处理后，强度提升37.2MPa，塑性提升144.7％。说明采用电脉冲加热制备双组织钛合金，并通过后续分步淬火处理，能够显著提升双组织TC21钛合金的强塑性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用电火花线切割方法将钛合金切割成板状试样，并对其进行表面预处理，所述合金试样为TC21钛合金，是一种α+β型双相钛合金，其名义成分是Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si；
步骤2：将钛合金板状试样接入脉冲电流加热系统电路中；
步骤3：接通脉冲电流加热系统电源，调整脉冲频率、脉冲充电电压，利用电阻加热形成温度梯度特征，对钛合金板状试样进行电脉冲加热，并空冷至室温，所述脉冲电流处理的参数为：脉冲频率500HZ，脉冲充电电压45V-50V，持续加热时间5min；
步骤4：将脉冲电流处理后的钛合金板状试样放入箱式马弗炉中进行分步淬火处理，所述分步淬火处理具体做法为：
首先将两个箱式加热炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别到达800-900℃和400-600℃；
然后将钛合金板状试样放入温度恒定的800-900℃的箱式马弗炉中保温0.5-2h，再将其放入温度恒定的400-600℃的箱式马弗炉中保温1-2h；
最后取出试样在水中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，其特征在于，步骤1所述表面预处理具体做法为：用砂纸对钛合金板状试样表面进行打磨，从粗磨到细磨，去除表面机加工痕迹，再用无水乙醇清洗试样表面，干燥备用。
3.根据权利要求1所述的一种显著提高双组织钛合金强塑性的方法，其特征在于，所述步骤2的具体做法为：用正负电极夹具将待加热试样夹持固定在电路中，夹具为纯铜材质，尺寸是78×40×4mm，调整待加热试样在电路中的夹持部位，以制备双组织钛合金试样。
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