CN114351068B - 一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法，利用箱式马弗炉对经过线切割的Ti55531钛合金试块通过在860℃进行固溶处理，在相变点以下15～45℃进行退火处理，和较低温度500～600℃进行时效处理，同时调控升温和保温时间参数，最终水冷至室温后获得多尺度片层组织；本发明在不改变合金成分的基础上，利用伪调幅分解机制，并结合分步淬火工艺制备出具有多尺度的片层组织的Ti55531合金，与传统的片层组织相比，该片层组织大小尺度不同，有利于实现优良的强塑性匹配。
Description
技术领域
本发明属于钛合金热处理技术领域，具体涉及一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法。
技术背景
钛合金具有比强度高、耐蚀性好和抗疲劳损伤等特点，在承力结构材料方面得到了越来越广泛的应用。高强韧钛合金是指经热处理后室温强度大于1100MPa，断裂韧性KIC≥50MPa·m1/2的一类钛合金，其力学性能取决于α和β相组成的微观组织类型及两相的含量和形态等参数。在钛合金中通过调控热加工和热处理工艺获得特定的α相、β相及其不同组合，从而改善合金的综合力学性能。
作为当前国际最新的高强韧钛合金系列，近年来国内外学者对于Ti55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金的研究非常多。该合金主要有片层和双态组织，片层组织因具有较高抗裂纹扩展能力，疲劳裂纹扩展速率低，在考虑损伤容限设计时一般会把该类组织作为优选对象。但是片层组织突出的特点是塑性差，在获得高强度的同时塑性急剧降低，导致其脆性断裂。该低塑性归因于晶界α相的粗化和晶内α相的非均匀析出行为。所以，在不影响合金塑性的同时提高合金的强度，即获得综合力学性能良好的合金是高强韧钛合金应用面临的紧迫问题，而微观组织设计是很好的解决方法。近些年以来，科研工作者提出一种多尺度片层组织设计方法，即由不同尺度的硬质纳米片层α相和较软的微米尺寸片层α相组成。
在此，我们在钛合金中借助“伪调幅分解”机制调控β基体中α相的均匀析出，并利用分步淬火的热处理工艺制备出了多尺度片状组织，对于提高钛合金综合力学性能具有重要的科学意义和工程价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选取原始组织为典型双态组织的Ti55531合金，并线切割成所需的试块；
步骤2：将三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率加热至860℃、800～830℃和500～600℃；
步骤3：将切割好的试块放入箱式马弗炉依次进行固溶处理、分步淬火处理，并水冷至室温；
所述固溶处理的具体过程为：在860℃的马弗炉保温处理0.5h～1h；
所述分步淬火处理的具体过程为：将固溶处理后的试块在低于相变点15～45℃的两相区800～830℃的马弗炉进行0.5h～2h保温处理，随后直接将试块在低温500～600℃的马弗炉进行0.5～4h保温处理。
进一步地，步骤1所述将Ti55531合金切割的试块尺寸为10mm*10mm*12mm。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明利用伪调幅分解机制，并结合分步淬火工艺制备出具有多尺度的片层组织的Ti55531合金。通常情况下，片层组织获得高强度的同时急剧降低塑性，导致其脆性断裂。该低塑性归因于晶界α相的粗化和晶内α相的非均匀析出行为。本发明通过固溶+分步淬火的热处理工艺，利于高温退火，实现微米尺度α相的调控；低温时效处理使得β相发生了一种热力学上均匀形核的“伪调幅分解”机制，其α相形核率高出常规时效析出形核数倍，获得细小均匀分布的纳米尺寸α相，从而获得微米α+纳米α的多尺度片层组织。该多尺度片层组织由硬质纳米片层α相和较软的微米尺寸片层α相组成，其结构在承受外力时可以产生塑性变形，较大尺寸的片层α相承担较大的应变，细小的片层纳米α相应变较小，但强硬度高，从而会形成应变梯度，产生应变分配效应，可以在不显著降低合金强度的同时，有效改善合金的塑性。
附图说明
图1为Ti55531合金860℃/1h固溶处理，800℃/0.5h退火处理，600℃/3h时效处理后的显微组织。
图2为Ti55531合金860℃/0.8h固溶处理，830℃/0.7h退火处理，580℃/4h时效处理后的显微组织。
图3为Ti55531合金860℃/0.5h固溶处理，810℃/2h退火处理，500℃/0.5h时效处理后的显微组织。
图4为Ti55531合金860℃/1h固溶处理，830℃/2h退火处理，600℃/3h时效处理后的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进行详细说明。
本发明原始材料Ti55531合金由以下重量百分含量的成分组成：4.9～5.1％的Al，4,9～5.1％的V，4.9％～5.1的Mo，2.9～3.1％的Cr，0.9～1.1％的Zr，余量为Ti和不可避免的杂质。
一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选取原始组织为典型双态组织的Ti55531合金，并线切割成所需的试块，试块尺寸为10mm*10mm*12mm；
步骤2：将三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率加热至860℃、800～830℃和500～600℃；
步骤3：将切割好的试块放入箱式马弗炉依次进行固溶处理、分步淬火处理(Stepquench)，并水冷至室温；
固溶处理的具体过程为：在860℃的马弗炉保温处理0.5h～1h；
步淬火处理的具体过程为：将固溶处理后的试块在低于相变点(相变点845℃左右)15～45℃的两相区800～830℃的马弗炉进行0.5h～2h保温处理，随后直接将试块在低温500～600℃的马弗炉进行0.5～4h保温处理。
实施例1
首先将原始的Ti55531合金切割成10mm*10mm*12mm的试块，然后使用三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别达到860℃、800℃和600℃，接着将试块先放入温度恒定的860℃的马弗炉中保温1h，结束后立刻将试块放入温度恒定的800℃的马弗炉中保温0.5h，然后立即再放入温度恒定的600℃的马弗炉中保温3h，最后取出试块水冷至室温。
图1为所获得试块的扫描图片，组织中有微米尺寸的α相，纳米尺寸的细小α相，还有残留的β相，这些相的尺寸从微米级到纳米级不等，形成了不同尺度的片层组织。
实施例2
首先将原始的Ti55531合金切割切割成10mm*10mm*12mm的试块，然后使用三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别达到860℃、830℃和580℃，接着将试块先放入温度恒定的860℃的马弗炉中保温0.8h，结束后立刻将试块放入温度恒定的830℃的马弗炉中保温0.7h，然后立即再放入温度恒定的580℃的马弗炉中保温4h，最后取出试块水冷至室温。
获得试块的扫描图片如图2所示，组织中有粗大的微米尺寸α片和细小的纳米尺寸α片，形成了大小尺度不同的片层组织，且粗、细片层α相的尺度差异明显，片层分布均匀。
实施例3
首先将原始的Ti55531合金切割切割成10mm*10mm*12mm的试块，然后使用三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别达到860℃、810℃和500℃，接着将试块先放入温度恒定的860℃的马弗炉中保温0.5h，结束后立刻将试块放入温度恒定的810℃马弗炉中保温2h，然后立即再放入温度恒定的500℃的马弗炉中保温0.5h，最后取出试块水冷至室温。
该工艺制备出试块的扫描图片如图3所示，组织中含较为粗大的微米尺寸α片和细小的纳米尺寸α片，获得了大小尺度不同的片层组织，且片层分布均匀细小。
实施例4
首先将原始的Ti55531合金切割切割成10mm*10mm*12mm的试块，然后使用三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率进行加热，使其温度分别达到860℃、830℃和600℃。接着将试块先放入温度恒定的860℃的马弗炉中保温1h，结束后立刻将试块放入温度恒定的830℃的马弗炉中保温2h，然后立即再放入温度恒定的600℃的马弗炉中保温3h，最后取出试块在水中冷却至室温。
图4是该工艺制备出试块的扫描图片，组织中粗大的α片尺寸较大，和细小的α片尺寸差异较大，且α片分布均匀，形成了较为理想的多尺度的片层组织。
本发明中Ti55531合金经过固溶+分步淬火处理获得了多尺度的片层组织，与传统的片层组织相比，该片层组织大小尺度不同，有利于实现优良的强塑性匹配。
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 (2)
1.一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤1：选取原始组织为典型双态组织的Ti55531合金，并线切割成所需的试块；
步骤2：将三台箱式马弗炉分别以10℃/min的升温速率加热至860℃、800～830℃和500～600℃；
步骤3：将切割好的试块放入箱式马弗炉依次进行固溶处理、分步淬火处理，并水冷至室温；
所述固溶处理的具体过程为：在860℃的马弗炉保温处理0.5h～1h；
所述分步淬火处理的具体过程为：将固溶处理后的试块在低于相变点15～45℃的两相区800～830℃的马弗炉进行0.5h～2h保温处理，随后直接将试块在低温500～600℃的马弗炉进行0.5～4h保温处理。
2.根据权利要求1所述的一种Ti55531合金多尺度片层组织的制备方法，其特征在于，步骤1所述将Ti55531合金切割的试块尺寸为10mm*10mm*12mm。
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