CN114799216B - 钛合金的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：对钛合金样品表面进行处理，除去钛合金样品表面的氧化层；将钛合金样品固定，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品表面进行等离子体热处理；将等离子体热处理完后的钛合金样品空冷至室温；去除热处理后钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。本发明在短时间之内即可对钛合金进行热处理，热处理后的钛合金内部充满了细小的等轴状组织，从而大大提高钛合金的力学性能。

Description

钛合金的热处理方法
技术领域
本发明属于钛合金热加工的技术领域，具体涉及一种钛合金的热处理方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异、耐高温、生物相容性好等优良特性，在航空航天、船舶、国防工业、医疗器械等领域有着广泛的应用。目前钛合金主要是通过铸造和机加工的方式来生产，铸造钛合金通常会因为其冶金缺陷，如：多孔性、成分偏析等，导致差的力学性能。至于机加工成型钛合金，由于钛合金导热性差，加工硬化倾向严重，导致机加工变得十分的困难，同时机加工还会产生大量的废料，这些势必会增加制造的成本。
3D打印钛合金是通过逐层铺粉-熔化-凝固的方式来生产，该方法与传统生产钛合金方法相比，具有如下显著优势：①、通过优化的工艺参数，可以制造出近乎全密度的零件，减少了冶金缺陷的发生。②、通过逐层打印的方式，理论上可以直接生产出任何复杂形状的零件，使零件的结构设计和生产实现自由化。③减少生产工序，使生产周期缩短，大大提高零件的生产效率。④材料的利用率和零件的成品率高，节约了生产成本。在3D打印过程中，由于快速熔化和快速凝固过程，会形成非平衡的针状马氏体相，同时零件内部还会产生较大的残余应力，导致零件的强度高但塑性却很低，达不到工程应用标准。同时激光除了熔化当前粉末层外，还可以穿透几个先前已经凝固的层，使其再度熔化，并形成一个具有陡峭温度梯度的区域，这会使得先前已经凝固的先β相继续沿着温度梯度方向外延生长，最后形成粗大的柱状晶，导致零件力学性能的各向异性。在3D打印过程中，上述问题均难以避免，由于打印制得的零件即是成品零件，故无法再通过变形等手段进行处理，所以后续必须要通过热处理的方法来对组织和力学性能进行调整。目前对3D打印钛合金的热处理方法主要是去应力退火和固溶+时效处理，可以获得较高强度和较好塑性相互配合的成品零件。虽然上述热处理方法可以很好改善零件的力学性能，但是其缺点在于热处理时间长、温度高，会耗费大量的生产成本。同时想要在材料内部获得具有优良综合力学性能的完全等轴状组织，以上两种热处理方法均无法实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种等轴化钛合金的热处理方法，该方法步骤简单，可以在短时间内获得完全等轴状的组织并快速提升钛合金零件的综合力学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
步骤1：对钛合金样品表面进行处理，除去钛合金样品表面的氧化层；
步骤2：将钛合金样品固定，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品表面进行等离子体热处理；
步骤3：将等离子体热处理完后的钛合金样品空冷至室温；
步骤4：去除热处理后钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
进一步地，步骤2中，等离子体热处理全程通入高纯氩气进行保护，其中，高纯氩气从等离子体喷嘴处喷出。
进一步地，步骤2中，等离子体热处理的电流大小为15-50A，等离子体热处理时间为5-100s，上述参数依据材料的长度、宽度和厚度选定。
进一步地，步骤2中，在热处理时，等离子体喷嘴距离钛合金样品表面8-10mm。
进一步地，钛合金样品由3D打印而成。
本发明的原理如下：
利用等离子体快速地将3D打印钛合金升温到β相变点以上，由3D打印过程中形成的针状马氏体会分解并转变为细小的等轴状β相，由于等离子体热处理时间较短，通常只有几秒至几十秒钟的时间，导致β晶粒来不及长大。在接下来空冷的过程中，β相会保持原始的晶界，在其内部则会形成均匀细小的α相。待冷却至室温时，整个材料内部都将充满细小的等轴状组织，其晶粒大小只有约100μm，从而获得优良的综合力学性能。
通过本发明制备的钛合金材料强度达到944MPa，延伸率为9.8％，因此本发明的等离子体热处理后的钛合金材料具有优良的综合力学性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明等轴化钛合金的热处理工艺方法步骤简单，效率高，只需要几秒至几十秒的时间即可完成热处理，既缩短生产周期又可以节约能源；
2.本发明可以实现在3D打印后的钛合金样品中获得细小的完全等轴状组织，从而大大提高钛合金的综合力学性能；
3.本发明的热处理工艺可以实现自动化处理，并且可以根据实际需求，进行零件的在线处理。
附图说明
图1为本发明实施例1中经电流大小为15A、处理时间为10s的钛合金金相显微组织图片；
图2为本发明实施例2中经电流大小为25A、处理时间为10s的钛合金金相显微组织图片；
图3为本发明实施例3中经电流大小为50A、处理时间为10s的钛合金金相显微组织图片；
图4为本发明实施例4中经电流大小为50A、处理时间为50s的钛合金金相显微组织图片；
图5为本发明实施例1中经电流大小为50A、处理时间为100s的钛合金金相显微组织图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
(1)取尺寸为13*7*5mm的3D打印TA15钛合金，将其在400目砂纸上进行打磨，至露出金属光泽即可；
(2)把钛合金样品固定在工作台上，将高能等离子弧粉末堆焊机的电流调至15A，打开高纯氩气气瓶，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品，其高度距样品表面为10mm，然后开始进行等离子体热处理，热处理持续时间为10s；
(3)将等离子体热处理完后的钛合金样品放在空气中冷却至室温；
(4)用400目砂子去除钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
图1为本实施例经等离子体热处理后的金相组织图片，从图1可以看出等离子体热处理后样品呈现完全等轴状的组织，其晶粒大小为130μm，且分布均匀，通过显微硬度计测量其硬度值为363HV1。
实施例2
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
(1)取尺寸为13*7*5mm的3D打印TA15钛合金，将其在400目砂纸上进行打磨，至露出金属光泽即可；
(2)把钛合金样品固定在工作台上，将高能等离子弧粉末堆焊机的电流调至25A，打开高纯氩气气瓶，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品，其高度距样品表面为10mm，然后开始进行等离子体热处理，热处理持续时间为10s；
(3)将等离子体热处理完后的钛合金样品放在空气中冷却至室温；
(4)用400目砂子去除钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
图2为本实施例经等离子体热处理后的金相组织图片，从图2可以看出等离子体热处理后样品呈现完全等轴状的组织，其晶粒大小为141μm，且分布均匀，通过显微硬度计测量其硬度值为367HV1。
实施例3
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
(1)取尺寸为13*7*5mm的3D打印TA15钛合金，将其在400目砂纸上进行打磨，至露出金属光泽即可；
(2)把钛合金样品固定在工作台上，将高能等离子弧粉末堆焊机的电流调至50A，打开高纯氩气气瓶，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品，其高度距样品表面为10mm，然后开始进行等离子体热处理，热处理持续时间为10s。
(3)将等离子体热处理完后的钛合金样品放在空气中冷却至室温；
(4)用400目砂子去除钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
图3为本实施例经等离子体热处理后的金相组织图片，从图3可以看出等离子体热处理后样品呈现完全等轴状的组织，其晶粒大小为156μm，且分布均匀，通过显微硬度计测量其硬度值为374HV1。
实施例4
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
(1)取尺寸为φ13*60mm的3D打印TA15钛合金，将其在400目砂纸上进行打磨，至露出金属光泽即可。
(2)把钛合金样品固定在工作台上，将高能等离子弧粉末堆焊机的电流调至50A，打开高纯氩气气瓶，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品，其高度距样品表面为10mm，然后开始进行等离子体热处理，热处理持续时间为50s。
(3)将等离子体热处理完后的钛合金样品放在空气中冷却至室温。
(4)用400目砂子去除钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
图4为本实施例经等离子体热处理后的金相组织图片，从图4可以看出等离子体热处理后样品呈现完全等轴状的组织，其晶粒大小为152μm，且分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其抗拉强度为1057MPa，延伸率为6.7％。
实施例5
一种钛合金的热处理方法，包括如下步骤：
(1)取尺寸为φ13*60mm的3D打印TA15钛合金，将其在400目砂纸上进行打磨，至露出金属光泽即可。
(2)把钛合金样品固定在工作台上，将高能等离子弧粉末堆焊机的电流调至50A，打开高纯氩气气瓶，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品，其高度距样品表面为10mm，然后开始进行等离子体热处理，热处理持续时间为100s。
(3)将等离子体热处理完后的钛合金样品放在空气中冷却至室温。
(4)用400目砂子去除钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品。
图5为本实施例经等离子体热处理后的金相组织图片，从图5可以看出等离子体热处理后样品呈现完全等轴状的组织，其晶粒大小为192μm，且分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其抗拉强度为944MPa，延伸率为9.8％。
对比发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5可以发现，通过改变等离子热处理电流参数，钛合金样品的晶粒尺寸随着电流的增大而增大，而硬度随着电流的增大改变甚微；当改变等离子热处理时间时，晶粒的尺寸会随着时间的增加而增大，而材料的强度会随着时间的增加而减小，延伸率则正好相反。以上实施例说明等离子热处理的参数可调节范围广，于是在实际的工业生产中，可以通过各种不同电流和时间的配合来获得所需要的力学性能。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种钛合金的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对钛合金样品表面进行处理，除去钛合金样品表面的氧化层；
步骤2：将钛合金样品固定，并将等离子体喷嘴对准钛合金样品表面进行等离子体热处理；
步骤3：将等离子体热处理完后的钛合金样品空冷至室温；
步骤4：去除热处理后钛合金样品表面的氧化层，即得最终成品；
其中，步骤2中，等离子体热处理的电流大小为15-50A，等离子体热处理时间为5-100s。
2.根据权利要求1所述的钛合金的热处理方法，其特征在于，步骤2中，等离子体热处理全程通入高纯氩气进行保护，其中，高纯氩气从等离子体喷嘴处喷出。
3.根据权利要求1所述的钛合金的热处理方法，其特征在于，在热处理时，步骤2中，等离子体喷嘴距离钛合金样品表面8-10mm。
4.根据权利要求1所述的钛合金的热处理方法，其特征在于，钛合金样品由3D打印而成。
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