CN115627430B - 改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，包括以下步骤：S1：将开坯后组织不均匀的钛合金加热至β单相区后进行保温和淬火，其中通过α→β完全相变，将初始的、组织不均匀的初生α相完全转变为β相组织；S2：将S1中保温和淬火后的钛合金回炉加热至α单相区保温；S3：将S2中得到的钛合金在α单相区进行锻造球化处理，然后淬火，获得组织均匀的细晶钛合金。与现有技术相比，本发明通过在β单相区热处理和α单相区锻造，简化各热加工和热处理工序过程中的微观组织优化方式，能够有效消除钛合金锻坯内“微织构带”且充分细化晶粒尺寸至可实现材料的超塑性成形，获得晶粒尺寸、取向分布均匀的锻坯组织。

Description

改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料科学技术领域，尤其是涉及一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好、非磁性和线膨胀系数小等优点，是航空航天领域的关键结构金属材料。作为飞机心脏的航空发动机，对高性能钛合金零部件的需求日益增加，钛合金在发动机总重的占比正逐渐提高，最具代表性的是罗罗公司利用近α型IMI834钛合金制造的“全钛转子”，该技术使得Trent700发动机推力提升11％，重量减轻9％，油耗降低4.8％，最终占据了55％的A330客机市场。特别是第五代航空发动机对推重比和减重提出了更高的设计要求，需尽可能多地应用的钛合金材料。其中，高温钛合金(近α钛合金)可用于航空发动机的风扇和压气机系统，包括整体叶盘、轮盘、叶片和机匣等，代替钢和镍基高温合金，减重效果在40％左右。

航空发动机压气机系统服役环境恶劣，钛合金需承受高温、高梯度、超温服役、高频振动和多轴应力状态等复杂工况的耦合作用，这对高温钛合金微观组织提出极为苛刻的要求，需严格控制材料微观组织缺陷。由于钛合金热加工工艺窗口窄、变形和组织演化机制复杂，在开坯过程中锻坯内部极易出现局部晶粒取向分布不均匀的情况(即“微织构带”)。因航空发动机零部件长期处于高温和交变载荷的服役环境，对其高温强度、抗疲劳和抗蠕变性能要就极为严苛。“微织构带”在交变载荷作用下极易发展成为疲劳裂纹源，恶化航空发动机的保载疲劳性能，降低航空发动机零部件的服役寿命，影响航空航天器的安全。

目前有关钛合金“微织构带”控制与消除和晶粒细化方法主要有电流辅助热机械加工、多道次等温热力循环压缩变形处理、反复墩拔或强塑性变形等，然而这些方法对设备要求高，存在加工工序繁琐和成本高等问题，且难以兼顾“微织构带”调控与晶粒细化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热机械处理工艺。通过在β单相区热处理和α单相区锻造，简化各热加工和热处理工序过程中的微观组织优化方式，能够有效消除钛合金锻坯内“微织构带”且充分细化晶粒尺寸至可实现材料的超塑性成形，获得晶粒尺寸、取向分布均匀的锻坯组织。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术方案的目的是提供一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，包括以下步骤：

S1：将开坯后组织不均匀的钛合金加热至β单相区后进行保温和淬火，其中通过α→β完全相变，将初始的、组织不均匀的初生α相完全转变为β相组织；

S2：将S1中保温和淬火后的钛合金回炉加热至α单相区保温，通过快冷过程中的马氏体相变获得含较高位错密度的次生针状α组织；

S3：将S2中得到的钛合金在α单相区进行锻造球化处理，然后淬火，获得组织均匀的细晶钛合金。

进一步地，S1中，将开坯后组织不均匀的钛合金加热至β单相区保温，并淬火的加热温度为完全β转变温度以上5℃-50℃，保温时间为15min-30min。

进一步地，S1中，保温过程在箱式电阻炉中进行；

淬火过程采用水淬或气淬。

进一步地，S1中，利用淬火过程中的β→α马氏体相变，将初生等轴状α改变为相变针状α组织，同时削弱初始锻坯中的“微织构带”。

进一步地，S1中，借助β相与α相间的晶格错配，促使针状α内产生相变位错和储能，为下一步的再结晶提供均匀的驱动能量。

进一步地，S2中，所述α单相区保温的温度为起始β转变温度以下30℃-80℃，保温时间为3min-15min。

进一步地，S2中，通过保温减小后续锻造过程中的变形抗力，同时避免发生α→β相变和晶粒粗化，使后续锻造过程中的组织演化变得简单可控。

进一步地，S2中，通过保温避免第一阶段形成的针状α发生粗化和针状α中位错的消耗，为下一步再结晶保留更多的能量。

进一步地，S3中，将第二阶段短暂保温的钛合金锻坯置于压机上进行等温锻造或近等温锻造，以此避免塑性功发热导致材料局部的温度升高。

进一步地，S3中，借助第一阶段形成的针状α和β→α马氏体相变产生的相变位错，促使钛合金以动态再结晶的方式实现完全球化和晶粒细化，最终获得取向分布均匀、不含“微织构带”的细晶钛合金锻坯。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1)与一般的钛合金组织改善工艺不同，该工艺特点在于采用最少火次的热机械处理工序即可获得取向分布均匀且晶粒充分细化的钛合金锻坯。本发明通过创新的两阶段热机械处理工艺，采用传统的热处理、锻造工艺和设备，工艺简单对设备要求较低。

2)第一阶段在β单相区进行热处理并淬火，利用淬火过程中的β→α马氏体相变，将初生等轴状α改变为相变针状α组织，同时削弱初始锻坯中的“微织构带”；借助β相与α相间的晶格错配，促使针状α内产生大量的相变位错和储能，为下一步的再结晶提供均匀的驱动能量。

3)第二阶段在α单相区进行短时间保温，可减小后续锻造过程中的变形抗力；同时避免发生α→β相变和晶粒粗化，使后续锻造过程中的组织演化变得简单可控；同时避免第一阶段形成的针状α发生粗化和针状α中位错的消耗，为下一步再结晶保留更多的能量。

4)第三阶段在α单相区进行锻造，将第二阶段短暂保温的钛合金锻坯置于压机上进行等温锻造或近等温锻造，应变速率为0.001/s～0.1/s，避免塑性功发热导致材料局部的温度升高。借助第一阶段形成的针状α和β→α马氏体相变产生的相变位错，促使钛合金以动态再结晶的方式实现完全球化和晶粒细化，最终获得取向分布均匀、不含“微织构带”的细晶钛合金锻坯。

5)该工艺仅需两次热处理工序和一次热加工工序，即可获得取向分布均匀和晶粒充分细化的钛合金锻坯，特别适用于大规格钛合金锻坯的组织优化。

附图说明

图1是开坯后含“微织构带”缺陷的钛合金锻坯组织取向分布图(以第2欧拉角反映取向分布特征和“微织构带”缺陷)，图1(a)反映“微织构带”缺陷；图1(b)反映晶粒尺寸与形貌特征；图1(c)反映材料内部几何必需位错密度分布。开坯材料的初始晶粒尺寸约为30～40μm，但内部形成了毫米级的“微织构带”缺陷。材料内部几何必需位错密度较低，说明材料经历了较充分的去应力退火。

图2是本发明实施例1改善的高温钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀的热机械处理工艺路线图，包含两次热处理工序和一次热加工工序。

图3是本发明实施例1通过β单相区热处理和淬火获得的“微织构带”被显著减少的钛合金魏氏组织，图3(a)反映魏氏组织取向分布特征(以第2欧拉角反映取向分布)；图3(b)反映魏氏组织内几何必需位错密度分布。魏氏组织内含有较高的、分布均匀的位错密度，这些位错密度为后续针状组织球化过程提供均匀分布的再结晶驱动能。

图4是本发明实施例1中α单相区锻造后取向分布均匀、不含“微织构带”且晶粒细化的钛合金锻坯微观组织取向分布图(以第2欧拉角反映取向分布)，图4(a)反映锻坯内部组织取向分布改善情况，图4(b)反映晶粒尺寸与形貌特征，“微织构带”缺陷被显著消除，晶粒被细化至5μm左右。

具体实施方式

本技术方案具体涉及到一种主要供航空发动机上600℃以下长期使用或600℃～700℃以上短时使用，并可供其它航天器600℃以下长期使用或600℃～700℃以上短时使用的钛合金的热加工和热处理方法，尤其是一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热机械处理工艺。

本技术方案提出一种采用传统热机械处理工艺即可有效改善钛合金组织不均性和微织构带缺陷的方法，并且能将钛合金的晶粒尺寸降低至可实现超塑性成形的晶粒尺度。工艺路线简单，对设备要求低，且适用于大块材料的大规模制备。

本技术方案通过在β单相区热处理和α单相区锻造，简化各热加工和热处理工序过程中的微观组织优化方式，能够有效消除钛合金锻坯内“微织构带”且充分细化晶粒尺寸至可实现材料的超塑性成形，获得晶粒尺寸、取向分布均匀的锻坯组织。

本发明的采取以下技术方案：

步骤一、将钛合金锻坯置于加热炉中，加热至完全β转变温度以上5℃-50℃，保温15min-30min，将等轴的、组织不均匀的初生α相完全转变为β相，原始初生α相的形貌和织构特征完全消失；

步骤二、将步骤一中的材料进行淬火(水冷)处理，实现β→α的马氏体相变，形成完全的相变组织(针状组织或魏氏组织)；

步骤三、将步骤二中的热处理后的钛合金锻坯置于加热炉中，加热至β起始转变温度以下30℃-80℃(α单相区)，保温3min-15min，使材料内部温度均匀；

步骤四、将步骤三中的钛合金锻坯置于压机上进行α单相区等温锻造或近等温锻造，变形量为30％-50％，锻造温度为β起始转变温度以下30℃-80℃，应变速率为0.001/s～0.1/s，避免因塑性功发热导致局部温度升高，抑制α→β相变。最终将针状组织进行充分球化与细化，并消除原始锻坯中的微织构带缺陷。

本技术方案通过β单相区热处理和淬火处理获得取向分布随机、“微织构带”被明显改善、高位错密度的魏氏组织，然后通过α单相区锻造使魏氏组织发生球化，最终获得不含微织构带且晶粒细化充分(平均晶粒尺寸约为5μm)的钛合金锻坯，以满足航空发动机制造所需的组织性能均匀性高，疲劳性能优良的钛合金零部件的制造。该合金是航空发动机压气机整体叶盘和转动部件等的理想备用材料。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的制备手段、材料、工艺、结构或组成配比等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

实施例1

本发明实施例提供的改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热机械处理工艺，可通过简单易行的热加工和热处理工艺改善开坯后高温钛合金内部的取向分布，消除“微织构带”缺陷，并细化晶粒至可实现超塑性成形的晶粒大小。

如图1所示，开坯后钛合金中普遍存在局部取向分布不均，即“微织构带”缺陷(图1(a))，平均晶粒尺寸约为30～40μm(图1(b))，且几何必需位错密度较低(图1(c))；

如图2所示，本发明实例1的改善钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热加工和热处理工艺包括以下步骤：

步骤一、将开坯后的钛合金锻坯置于加热炉中加热至β完全转变温度以上10℃，保温20min后，使初生α相组织完全转变为β单相组织。

步骤二、对高温β组织进行水冷淬火，利用β→α马氏体相变形成针状α，针状α交织在一起形成魏氏组织。原始的、含“微织构带”的初生α组织已完全被魏氏组织替代，如图3(a)所示。淬火过程中发生的马氏体相变，因α相与β相之间的晶格错配，会在针状α组织内部产生了大量的、均匀分布的位错(见图3(b))，可为后期锻造过程中的再结晶提供能量。

步骤三、将步骤二中经β单相区热处理的钛合金锻坯重新置于加热炉中加热至β起始转变温度以下50℃(α单相区)，保温10min，在α单相区保温可避免α相转变为β相，简化材料内部组织演化方式，便于后续锻造球化过程中的组织调控。短时间保温既可以降低后续锻造过程中的变形抗力，又可以避免针状α组织粗化和针状α组织内部位错的消耗。

步骤四、将步骤三种经α单相区热处理的钛合金锻坯直接置于压机上进行α单相区等温锻造或近等温锻造，变形量为0.3-0.5，锻造温度为β起始转变温度以下30℃-80℃，α相区的塑性变形使得步骤二中形成的高位错密度的针状α以几何动态再结晶的形式发生球化。因步骤二形成的魏氏组织中“微织构带”已被显著削弱，同时针状α较为狭长且含大量相变位错，使得材料极易发生完全动态再结晶并使晶粒得到充分细化，因此在α单相区锻造后可获得取向分布均匀、不含“微织构带”缺陷(见图4(a))的等轴细晶组织(见图4(b))，平均晶粒尺寸约为5μm，可满足钛合金的超塑性成形。

实施例2

本实施例改善钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热加工和热处理工艺包括以下步骤：

步骤一、将开坯后的钛合金锻坯置于加热炉中加热至β完全转变温度以上50℃，保温15min后，使初生α相组织完全转变为β单相组织。

步骤二、对高温β组织进行水冷淬火，利用β→α马氏体相变形成针状α，针状α交织在一起形成魏氏组织。原始的、含“微织构带”的初生α组织已完全被魏氏组织替代。淬火过程中发生的马氏体相变，因α相与β相之间的晶格错配，会在针状α组织内部产生了大量的、均匀分布的位错，可为后期锻造过程中的再结晶提供能量。

步骤三、将步骤二中经β单相区热处理的钛合金锻坯重新置于加热炉中加热至β起始转变温度以下30℃(α单相区)，保温15min，在α单相区保温可避免α相转变为β相，简化材料内部组织演化方式，便于后续锻造球化过程中的组织调控。短时间保温既可以降低后续锻造过程中的变形抗力，又可以避免针状α组织粗化和针状α组织内部位错的消耗。

步骤四、将步骤三种经α单相区热处理的钛合金锻坯直接置于压机上进行α单相区等温锻造或近等温锻造，变形量为0.3-0.5，锻造温度为β起始转变温度以下30℃，α相区的塑性变形使得步骤二中形成的高位错密度的针状α以几何动态再结晶的形式发生球化。因步骤二形成的魏氏组织中“微织构带”已被显著削弱，同时针状α较为狭长且含大量相变位错，使得材料极易发生完全动态再结晶并使晶粒得到充分细化，因此在α单相区锻造后可获得取向分布均匀、不含“微织构带”缺陷，平均晶粒尺寸约为5μm，可满足钛合金的超塑性成形。

本实施例中涉及的工艺流程、微观过程表征图和微观结果表征图同样可参见图1至图4。

实施例3

本实施例改善钛合金锻坯晶粒尺寸、取向分布均匀性的热加工和热处理工艺包括以下步骤：

步骤一、将开坯后的钛合金锻坯置于加热炉中加热至β完全转变温度以上5℃，保温30min后，使初生α相组织完全转变为β单相组织。

步骤二、对高温β组织进行水冷淬火，利用β→α马氏体相变形成针状α，针状α交织在一起形成魏氏组织。原始的、含“微织构带”的初生α组织已完全被魏氏组织替代。淬火过程中发生的马氏体相变，因α相与β相之间的晶格错配，会在针状α组织内部产生了大量的、均匀分布的位错，可为后期锻造过程中的再结晶提供能量。

步骤三、将步骤二中经β单相区热处理的钛合金锻坯重新置于加热炉中加热至β起始转变温度以下80℃(α单相区)，保温3min，在α单相区保温可避免α相转变为β相，简化材料内部组织演化方式，便于后续锻造球化过程中的组织调控。短时间保温既可以降低后续锻造过程中的变形抗力，又可以避免针状α组织粗化和针状α组织内部位错的消耗。

步骤四、将步骤三种经α单相区热处理的钛合金锻坯直接置于压机上进行α单相区等温锻造或近等温锻造，变形量为0.3-0.5，锻造温度为β起始转变温度以下80℃，α相区的塑性变形使得步骤二中形成的高位错密度的针状α以几何动态再结晶的形式发生球化。因步骤二形成的魏氏组织中“微织构带”已被显著削弱，同时针状α较为狭长且含大量相变位错，使得材料极易发生完全动态再结晶并使晶粒得到充分细化，因此在α单相区锻造后可获得取向分布均匀、不含“微织构带”缺陷的等轴细晶组织，平均晶粒尺寸约为5μm，可满足钛合金的超塑性成形。

本实施例中涉及的工艺流程、微观过程表征图和微观结果表征图同样可参见图1至图4。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将开坯后组织不均匀的钛合金加热至β单相区后进行保温和淬火，其中通过α→β完全相变，将初始的、组织不均匀的初生α相完全转变为β相组织，

S1中，利用淬火过程中的β→α马氏体相变，将初生等轴状α改变为相变针状α组织，同时削弱初始锻坯中的“微织构带”，

S1中，借助β相与α相间的晶格错配，促使针状α内产生相变位错和储能，为下一步的再结晶提供均匀的驱动能量；

S2：将S1中保温和淬火后的钛合金回炉加热至α单相区保温，通过快冷过程中的马氏体相变获得含较高位错密度的次生针状α组织，

S2中，所述α单相区保温的温度为起始β转变温度以下30℃-80℃，保温时间为3min-15min；

S3：将S2中得到的钛合金在α单相区进行锻造球化处理，然后淬火，获得组织均匀的细晶钛合金，其中，将第二阶段短暂保温的钛合金锻坯置于压机上进行等温锻造或近等温锻造，应变速率为0.001/s~0.1/s，以此避免塑性功发热导致材料局部的温度升高。

2.根据权利要求1所述的一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，S1中，将开坯后组织不均匀的钛合金加热至β单相区保温，并淬火的加热温度为完全β转变温度以上5℃-50℃，保温时间为15min-30min。

3.根据权利要求1所述的一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，S1中，保温过程在箱式电阻炉中进行；

淬火过程采用水淬或气淬。

4.根据权利要求1所述的一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，S2中，通过保温减小后续锻造过程中的变形抗力，同时避免发生α→β相变和晶粒粗化，使后续锻造过程中的组织演化变得简单可控。

5.根据权利要求1所述的一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，S2中，通过保温避免第一阶段形成的针状α发生粗化和针状α中位错的消耗，为下一步再结晶保留更多的能量。

6.根据权利要求1所述的一种改善高温钛合金锻坯晶粒尺寸及取向分布均匀性的方法，其特征在于，S3中，借助第一阶段形成的针状α和β→α马氏体相变产生的相变位错，促使钛合金以动态再结晶的方式实现完全球化和晶粒细化，最终获得取向分布均匀、不含“微织构带”的细晶钛合金锻坯。