CN115287563B - 一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，包括步骤1：获取钛合金锻件的相转变温度Tω和Tβ；步骤2：对锻件粗加工使其厚度减薄，然后固溶处理，固溶后空冷至室温；步骤3：再次粗加工减薄，并安装测温热电偶；步骤4：对锻件时效处理，时效处理后空冷至室温；在时效处理过程中时效温度是基于热电偶在线监测的实际温度进行反馈调节的。本发明通过对锻件进行减薄处理后采用限速升温的方法诱导相变缓慢发生，结合热电偶在线监测反馈的方法实现温度的精确调控，可以有效克服超高韧钛合金锻件对体积规格和热处理参数的敏感性问题，实现超高强韧钛合金模锻件超高强度和韧性的力学性能。
Description
技术领域
本申请涉及钛合金零件热处理技术领域，具体涉及一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法。
背景技术
Ti1300(成分为Ti-Al-Mo-V-Cr-Nb)超高强度钛合金具有强度＞1300MPa，延伸率＞5％，并能保持＞70MPa.m1/2断裂韧性特点，具有优异的力学性能和抗腐蚀性能，是航空工业中重要的承力结构材料，具有重要的应用前景。
超高强韧Ti1300钛合金部件通常采用模锻整体成型，其几何形状复杂，锻件各部位的变形均匀性不一致。为了获得高强度和高强韧的性质，该钛合金模锻件通常采用单相区固溶和两相区时效的热处理制度，从而获得大量的针状α相以强化基体。然而，超高强韧钛合金模锻件对热处理过程较为敏感，很难实现超高强度—韧性的匹配。主要表现在：一是Ti-Al-Mo-V-Cr-Nb超高韧Ti1300钛合金对锻件的规格敏感性较强，不同规格和重量的锻件热处理制度往往有着较大变化才能实现强韧性匹配；二是Ti-Al-Mo-V-Cr-Nb超高强韧Ti1300钛合金在热处理过程中对热处理温度、升温速率、冷却速率等参数敏感，参数的波动对α相的析出影响较大，若析出的α相尺寸太大则会弱化强度，析出太小则会影响塑性；三是超高强韧钛合金成分复杂，β稳定元素较多，在时效过程中相变较慢，且相变的热效应复杂，进而影响锻件的微观组织的一致性以及强韧性匹配。获得超高强韧钛合金模锻件稳定的热处理制度，实现超高强度和韧性的匹配，以及组织性能的一致性对超高强韧钛合金锻件在航空工业中的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，通过对锻件进行减薄处理后采用限速升温的方法诱导相变缓慢发生，结合热电偶在线监测反馈的方法实现温度的精确调控，可以有效克服超高韧钛合金锻件对体积规格和热处理参数的敏感性问题，实现超高强韧钛合金模锻件超高强度和韧性的力学性能以及微观组织的一致性，具有重复性高等优势。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1：获取Til300钛合金锻件的β相向ω相转变温度Tω、和β相向α相的转变温度Tβ；
步骤2：对Til300钛合金锻件粗加工使厚度减薄，然后固溶处理，固溶温度为为(Tβ+30)℃～(Tβ+90)℃，升温速率为5℃/min～20℃/min，固溶时间为30min～160min，固溶后空冷至室温；
步骤3：固溶后的Ti1300钛合金锻件再次粗加工减薄，并在锻件中心和边缘位置安装测温热电偶；
步骤4：对安装有温热电偶的Ti1300钛合金锻件时效处理，时效处理后空冷至室温；所述时效处理是指先采用升温速率为8℃/min～20℃/min将温度升至(Tω+30)℃～(Tω+80)℃，然后再以升温速率0.1℃/min-5℃/min将温度升至时效温度(Tω+150)℃～(Tω+310)℃，时效时间为120min～480min；
在时效处理过程中时效温度是基于热电偶在线监测的实际温度进行反馈调节的，当热电偶在线监测的实际温度高于设定温度5℃～15℃，则采用限制热处理功率调节锻件实际时效温度。
进一步地，采用DSC设备测试Ti1300钛合金锻件的Tω和Tβ。
进一步地，测温热电偶安装位置为Ti1300钛合金锻件的中心最厚处和边缘最厚处，在Ti1300钛合金锻件的中心最厚处和边缘最厚处加工用于安装测温热电偶的安装孔，安装孔孔深为锻件的有效厚度的一半。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过固溶前和时效前对超高强韧锻件的减薄，可以有效减弱超高强韧Ti1300模锻件在热处理过程中因相变导致的热效应，有利于锻件的热处理过程中的温度均匀性，保证锻件的相变和散热均匀。
(2)时效过程中，通过以Tω温度为节点进行分段升温，可以有效抑制ω相的析出从而恶化塑性。此外，在Tω温度之上限速升温，可以保证α相缓慢且充分析出，可以降低相变热效应的同时，保证锻件的微观组织一致性以及实现强度和塑性的最佳匹配。
(3)通过采用热电偶在线监测反馈调节的方法，可以保证锻件的温度均匀性，进而克服了超高强韧Ti1300钛合金温度敏感性的问题，为实现组织均匀性和力学性能的一致性提供保障。
(4)还可推广到相同成分和钼当量钛合金的热处理过程中。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1提供的整框类模锻件的投影图。
图3为本发明实施例1采用DSC测试的超高强韧钛合金的相变点图。
图4为本发明在整框类模锻件上的测温热电偶安装位置示意图。
图5为本发明实施例1的整框类模锻件热处理过程中的温度变化图。
图6为本发明实施例1的整框类模锻件的金相图。
图7为本发明实施例1的整框类模锻件微观组织的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种超高强韧Ti1300钛合金整框类模锻件的热处理方法，整框类模锻件结构如图2所示，其尺寸为584mm(长)×425mm(宽)×160mm(厚)，重量约为200kg，如图1所示，其主要步骤如下：
步骤1：采用DSC设备测试超高强韧Ti1300钛合金在热处理过程中β相向ω相的转变温度Tω以及β相向α相的转变温度Tβ，Tω和Tβ的单位均为℃；在Ti1300钛合金固溶态样品上取直径为3mm×1mm的圆片，在超声洗净后烘干，置入DSC设备中进行测试，测试过程中通入高纯氩气保护，升温速率为0.5℃/min，所测试的结果如图3所示，结果表明Tω为302℃，Tβ为801℃。
步骤2：将超高强韧Ti1300钛合金锻件进行粗加工使其厚度减薄；整框锻件的厚度在160mm，在固溶前通过机加工的方式将该模锻件粗加工至50mm(最薄处)～90mm(最厚处)。
将减薄后的超高强韧Ti1300钛合金锻件进行固溶处理，先将热处理炉加热至所需的固溶温度875℃，随后将锻件放入炉内进行固溶处理，锻件在炉内采用功率升温，固溶阶段升温速率为7℃/min，固溶时间为125min，固溶完成后将锻件进行空冷，置入空气中冷却至室温。
步骤3：将固溶后的Ti1300钛合金锻件进一步粗加工减薄，减薄至35mm(最薄处)～80mm(最厚处)，并在Ti1300钛合金锻件中心和边缘位置处加工安装孔，用于安装测温热电偶，安装孔孔深为Ti1300钛合金锻件有效厚度的一半。热电偶位置选取锻件中心最厚处(热电偶h1)和边缘最厚处(热电偶h2)，如图4所示。
步骤4：粗加工完成后，将锻件的中心和边缘插入测温热电偶，随后时效处理；将带热电偶的超高强韧Ti1300钛合金锻件转移至炉内进行时效，采用10℃/min升温速率升至Tω之上40℃，即342℃，在该温度下保温5min保持锻件温度均匀。在该阶段保温完成后，采用0.5℃/min的升温速率升至时效温度535℃，设定温度处的时效时间为240min，通过热电偶在线监控锻件在时效过程中的温度效应变化，并进行温度控制。
时效过程中采用热电偶h1和h2监控锻件的温度变化，发现h1和h2热电偶在某个时间的实际温度为540℃～548℃，通过限制热处理炉加热功率，将锻件的温度降低至535℃，如图5所示。
时效完成后，将锻件转移至空气中进行空冷至室温。
本实施例通过对Ti1300钛合金锻件减薄和限速升温处理，Ti1300钛合金锻件在热处理过程中的温度变化均匀，固溶后的再结晶组织均匀，如图6所示。限速升温可以有效控制相变热效应，诱导α相缓慢析出，使得次生α相的尺寸较小，且分布均匀，如图7所示。本实施例与传统Ti1300锻件不减薄，或者热处理过程中不采取限速升温处理的力学性能对比如表1所示。结果表明，对超高强韧锻件采取减薄和限速升温，可以有效提升锻件的抗拉强度和屈服强度，达到航空航天的应用标准。
表1传统热处理方法与实施例1锻件的性能对比
风冷和水冷主要是强化过度，导致强度极高，但是塑性严重降低，不符合标准，故不能采用。
实施例2
本实施例提供了一种超高强韧Ti1300钛合金长梁模锻件的热处理方法，长梁模锻件的尺寸为4500mm(长)×1200mm(宽)×260mm(厚)，重量约为950kg，主要步骤如下：
步骤1：采用DSC设备测试超高强韧Ti1300钛合金在热处理过程中β相向ω相转变温度Tβ以及β相向α相的转变温度Tω，Tω为302℃，Tβ为801℃。
步骤2：将超高强韧Ti1300钛合金锻件粗加工，将锻件的厚度减薄；长梁模锻件的厚度在260mm，在固溶前通过机加工的方式将该模锻件粗加工至80mm(最波处)～190mm(最厚处)。
将减薄后的超高强韧Ti1300钛合金锻件开展固溶处理，固溶温度为885℃，锻件在炉内采用功率升温，固溶阶段升温速率为5℃/min，固溶时间为150min，固溶完成后将锻件置入空气中冷却。
步骤3：将固溶后的锻件进一步粗加工减，薄锻件减薄至60mm～150mm，并在锻件中心和边缘位置处加工安装孔，用于安装测温热电偶。
步骤4：在锻件的中心和边缘插入测温热电偶后开展时效处理；时效过程中锻件在炉内采用10℃/min升温速率升至Tω之上60℃，即387℃，在该温度下保温10min保持锻件温度均匀。在该阶段保温完成后，采用0.3℃/min的升温速率升至时效温度527℃。通过热电偶在线监控锻件在时效过程中的温度效应变化，并进行温度控制。时效温度为527℃，在设定温度处的时效时间为280min。
时效过程中采用热电偶监控锻件的温度变化，在某个时间的测量的实际温度为540℃，通过限制热处理炉加热功率，将锻件的温度降低至527℃。
时效完成后，将锻件转移至空气中进行空冷至室温。
本实施例通过对锻件减薄和限速升温处理，锻件在热处理过程中的温度变化均匀，同时锻件析出的微观组织均匀。本实施例与传统Ti1300长梁模锻件不减薄，或者热处理过程中不采取限速升温处理的力学性能对比如表2所示。结果表明，对超高强韧锻件采取减薄和限速升温，可以有效提升锻件的抗拉强度和屈服强度，达到航空航天的应用标准。
表2传统热处理方法与实施例2锻件的性能对比
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取Til300钛合金锻件的β相向ω相转变温度Tω、和β相向α相的转变温度Tβ；
步骤2：对Til300钛合金锻件粗加工使其厚度减薄，然后固溶处理，固溶温度为(Tβ+30)℃～(Tβ+90)℃，升温速率为5℃/min～20℃/min，固溶时间为30min～160min，固溶后空冷至室温；
步骤3：对固溶后的Ti1300钛合金锻件再次粗加工减薄，并在锻件中心和边缘位置处安装测温热电偶；
步骤4：对安装有测温热电偶的Ti1300钛合金锻件时效处理，时效处理后空冷至室温；所述时效处理是指先采用升温速率为8℃/min～20℃/min将温度升至(Tω+30)℃～(Tω+80)℃，然后再以升温速率0.1℃/min-5℃/min将温度升至时效温度(Tω+150)℃～(Tω+310)℃，时效时间为120min～480min；
在时效处理过程中时效温度是基于热电偶在线监测的实际温度进行反馈调节的，当热电偶在线监测的实际温度高于设定温度5℃～15℃，则采用限制热处理功率调节锻件实际时效温度。
2.根据权利要求1所述的一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，其特征在于，采用DSC设备测试Ti1300钛合金锻件的Tω和Tβ。
3.根据权利要求1所述的一种超高强韧Ti1300钛合金模锻件的热处理方法，其特征在于，测温热电偶安装位置为Ti1300钛合金锻件的中心最厚处和边缘最厚处，在Ti1300钛合金锻件的中心最厚处和边缘最厚处加工用于安装测温热电偶的安装孔，安装孔孔深为锻件的有效厚度的一半。
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