CN115673009A - 高强塑性tb3钛合金丝材及热处理方法及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的TB3钛合金丝材及热处理方法及制备方法，所述TB3钛合金丝材的延伸率≥10％，且同时抗拉强度满足≥1250MPa，本发明的TB3钛合金丝材热处理方法，为固溶处理+冷变形(预变形)+多边化处理+时效处理，在现有技术的基础上，增加了冷变形和多边化热处理工艺，且冷变形的变形量达到30～50％，远远大于现有技术研究的水平，通过本热处理工艺的研究，达到延伸率≥10％的前提下，抗拉强度达到1250～1350MPa，制备的丝材同时具有高的强度和较好的塑形，实现了高强度和较好塑性的良好匹配，形成综合性能优良的钛合金丝材。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其涉及高强塑性TB3钛合金丝材及热处理方法及制备方法。
背景技术
TB3(Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe)合金是一种可热处理强化的亚稳定β型钛合金，主要用于制造使用温度低于300℃的1100～1150MPa级高强度航空航天紧固件材料。随着新一代飞行器研制项目的实施，飞行器对紧固件的力学性能、使用功能和寿命等要求越来越高，希望强度水平能达到1250MPa级，同时还拥有较好的塑形。现有TB3钛合金丝材
固溶时效后的抗拉强度为1100～1180MPa，延伸率为10～18％，难于达到新一代飞行器研制需要的强度水平。
钛合金紧固件广泛应用于飞机机体及航天飞行器连接结构中，从战斗机到运输机再到民用航空飞机，单架飞机钛合金紧固件使用量从几万件到几十万件，有的飞机使用量高达70～80万件，用量比较大，而且也是一种重要的关键材料。
TB3钛合金是国内20世纪90年代研制的一种可热处理强化的亚稳定β型钛合金，具有耐蚀性好、比强度高、可实现时效强化和室温塑性好等综合性能优良的特点，主要用于制造使用温度低于300℃的1100～1150MPa级高强度航空航天紧固件。国内对于该合金的热加工和热处理工艺研究较多，特别是对于固溶处理、固溶时效热处理工艺研究比较多。对于TB3合金
丝材单级时效和双重时效也进行了对比研究(刘娣,刘小花,张晨辉,等.时效工艺对TB3钛合金丝材组织及力学性能的影响[J].铸造技术,2017,38(11):2616-2618)，单级时效的强度可以达到1154MPa，延伸率达到12％，而双重时效的强度可以达到1127MPa，延伸率达到15％。
众所周知，金属材料的强度和塑形是一对倒置关系，即强度增加会导致塑性降低，当提高塑性时也会导致强度下降。所以，如何在塑形不降低的情况下进一步大幅度提高材料的强度，不仅是材料设计和应用者的希望目标，也是材料工作者不断追求的目标。
为了提高合金的强塑性，国内外进行了大量的研究。其中，对钛合金进行形变热处理是一种有效的方法。对于TB3合金的形变热处理工艺，国内也有做过预变形(固溶后分别拉伸5％、10％和20％的预变形量)对TB3合金时效析出行为及其力学性能的影响研究(如：宋振亚,孙巧艳,肖林,等.预变形对TB3合金时效析出行为及其力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2010,39(05):791-795)。研究表明：经过5％预变形试样的时效峰值强度比单级时效试样提高了约100MPa(虽然其时效峰值强度也达到了1350MPa，但其延伸率接近5％。另外，其时效温度是500℃，远低于GJB 2219规定的550℃的要求。通常时效温度越低，强化效果越高，但延伸率下降也很快)。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种高强塑性TB3钛合金丝材及热处理方法及制备方法。
一种高强塑性TB3钛合金丝材，延伸率≥10％，且同时抗拉强度满足≥1280MPa。
一种高强塑性TB3钛合金丝材热处理方法，包括以下步骤：
固溶处理：对棒坯坯料进行加热，温度为790～820℃，保温10～20分钟后进行空冷；
冷变形：对于固溶处理后的棒坯或丝材坯料进行30～50％的冷拉拔，加工到半成品；
多边化处理：对冷变形半成品进行加热，温度为620～640℃，保温15分钟后进行空冷；
时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
一种高强塑性TB3钛合金丝材的制备方法，包括以下步骤：
准备棒坯：选用
的棒坯或丝材坯料；
固溶处理：对于棒坯或丝材坯料进行加热，温度为790～820℃，保温10～20分钟后进行空冷；
冷变形：对于固溶处理后的棒坯或丝材坯料进行30～50％的冷拉拔，加工到半成品；
多边化处理：对冷变形半成品进行加热，温度为620～640℃，保温15分钟后进行空冷；
时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
有益效果：CN110773686A涉及一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法，该专利将丝材进行固溶处理后矫直，得到
的紧固件用TB3钛合金丝材，虽然该专利记载了制备的TB3钛合金丝材达1100MPa以上的抗拉强度、6％以上的延伸率，分析其实施例(如下表1)，在延伸率>10％的水平时，抗拉强度下降至1170MPa，当抗拉强度为1201的水平时，其延伸率仅能达到7％。很显然，该水平存在背景技术中所述的钛合金丝材的强度和塑形两个参数为倒置关系，随着抗拉强度的增强，延伸率呈明显的下降，其延伸率已无法满足GJB-2219的要求。
表1
| 直径/mm | 抗拉强度/MPa | 延伸率/％ | |
| 实施例1 | 3 | 1201 | 7 |
| 实施例2 | 3.5 | 1185 | 9 |
| 实施例3 | 4 | 1170 | 12 |
| 实施例4 | 5 | 1145 | 15 |
本发明热处理工艺制备的TB3钛合金丝材，在延伸率≥10％的前提下，抗拉强度达到1250～1350MPa，该丝材同时具有高的强度和较好的塑形，实现了高强度和较好塑性的良好匹配，完全满足新一代飞行器研制对于高强塑性紧固件的需求。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)强度高：抗拉强度达到1280～1350MPa，抗拉强度提高15～23％；国军标《GJB2219-94紧固件用钛及钛合金》中规定，TB3固溶+时效处理后抗拉强度为≥1100MPa、延伸率≥10％，抗拉强度典型值为1140MPa，本发明抗拉强度较典型值水平提高了12～18％。
(2)塑形较好：延伸率≥10％，在抗拉强度较大幅度提高的基础上，延伸率降低较少，根据实施例，仍有部分保持同等水平。
(3)强塑性匹配好：实现了高强度和较好塑性的良好匹配，综合性能优异。
附图说明
图1、本发明热处理制度曲线图。
具体实施方式
本发明提出的TB3钛合金丝材的制备方法，具有以下步骤：
棒坯(或丝材坯料)准备：坯料规格的准备需从成品规格
向前推算，并考虑磨抛去除的0.02mm余量，所以应按照坯料经过30～50％冷变形量加工到
半成品尺寸向前推算。因此，经推算坯料的尺寸范围为
固溶处理(ST，Solution treatment)：对于
的棒坯坯料进行加热，温度为790～820℃，保温10～20分钟后进行空冷；
冷变形(CW，Cold work)：对于固溶处理后的
棒坯或丝材坯料进行30～50％的冷拉拔，加工到半成品尺寸
多边化处理(PHT，Polygonization heat treatment)：对
的冷变形半成品进行加热，温度为620～640℃，保温15分钟后进行空冷；
时效热处理(A，aging)：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷(AC，Air cooling)。
精整：对于时效后的丝材进行矫直，然后磨抛到成品尺寸
再进行锯切、平头、收集则为直条丝材成品。
本发明的TB3钛合金丝材的直径范围为1.88～7.88mm(如丝材具体的直径典型规格有
φ4.88、
φ6.88、φ7.88mm)，延伸率≥10％，同时抗拉强度达到≥1280MPa。
实施例1 TB3丝材
丝材
(1)棒坯准备：坯料规格的准备需从成品规格
向前推算，并考虑磨抛去除的0.02mm余量，按照坯料经过50％冷变形量加工到
半成品尺寸向前推算。因此，经推算坯料的尺寸为
(2)固溶处理：对
的棒坯进行加热，温度为820℃，保温20分钟后进行空冷。
(3)冷变形：对于固溶处理后的
棒坯进行50％的冷拉拔，加工到半成品尺寸
(4)多边化处理：对7.9mm的半成品进行加热，温度为640℃，保温15分钟后进行空冷。
(5)时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
(6)精整：对于时效后的丝材进行矫直，然后磨抛到成品尺寸
再进行锯切、平头，收集则为直条丝材成品。
(7)成品性能检测：室温力学性能：抗拉强度为1349MPa，延伸率11.6％。
实施例2 TB3丝材
丝材
(1)棒坯准备：坯料规格的准备需从成品规格
向前推算，并考虑磨抛去除的0.02mm余量，按照坯料经过40％冷变形量加工到
半成品尺寸向前推算。因此，经推算坯料的尺寸为
(2)固溶处理：对
的棒坯进行加热，温度为800℃，保温16分钟后进行空冷。
(3)冷变形：对于固溶处理后的
棒坯进行40％的冷拉拔，加工到半成品尺寸
(4)多边化处理：对5.9mm的半成品进行加热，温度为630℃，保温15分钟后进行空冷。
(5)时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
(6)精整：对于时效后的丝材进行矫直，然后磨抛到成品尺寸
再进行锯切、平头，收集则为直条丝材成品。
(7)成品性能检测：室温力学性能：抗拉强度为1318MPa，延伸率12.1％。
实施例3 TB3丝材
丝材
(1)棒坯准备：坯料规格的准备需从成品规格
向前推算，并考虑磨抛去除的0.02mm余量，按照坯料经过30％冷变形量加工到
半成品尺寸向前推算。因此，经推算坯料的尺寸为
(2)固溶处理：对
的棒坯进行加热，温度为790℃，保温10分钟后进行空冷。
(3)冷变形：对于固溶处理后的
棒坯进行30％的冷拉拔，加工到半成品尺寸
(4)多边化处理：对1.9mm的半成品进行加热，温度为620℃，保温15分钟后进行空冷。
(5)时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
(6)精整：对于时效后的丝材进行矫直，然后磨抛到成品尺寸
再进行锯切、平头，收集则为直条丝材成品。
(7)成品性能检测：室温力学性能：抗拉强度为1312MPa，延伸率12.3％。
对比例1 TB3丝材
丝材
该对比例采用的工艺为实施例1工艺中，不进行冷变形、多边化处理，对产品形成检测得到如下表中的数据。
对比例2 TB3丝材
丝材
该对比例采用的工艺为实施例2工艺中，不进行冷变形、多边化处理，对产品形成检测得到如下表中的数据。
对比例3 TB3丝材
丝材
该对比例采用的工艺为实施例3工艺中，不进行冷变形、多边化处理，对产品形成检测得到如下表中的数据。
图1为本发明热处理制度曲线图。该图中工艺过程及参数对比如表2。
注：表中ST为固溶处理；STA为固溶+时效处理；CW为冷变形；PHT为多边化热处理；A为时效处理。
由图可以看出，本发明的实施例采用的热处理方法为固溶处理+冷变形(预变形)+多边化处理+时效处理，在现有技术的基础上，增加了冷变形和多边化热处理工艺，且冷变形的变形量达到30～50％，远远大于现有技术研究的水平，通过本热处理工艺的研究，达到延伸率≥10％的前提下，抗拉强度达到1280～1350MPa，制备的丝材同时具有高的强度和较好的塑形，实现了高强度和较好塑性的良好匹配，形成综合性能优良的钛合金丝材。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种高强塑性TB3钛合金丝材，其特征在于:所述TB3钛合金丝材的延伸率≥10％，且同时抗拉强度满足≥1250MPa。
2.如权利要求1所述的高强塑性TB3钛合金丝材，其特征在于:所述TB3钛合金丝材的延伸率≥10％，同时抗拉强度达到1280～1350MPa。
3.如权利要求2所述的高强塑性TB3钛合金丝材，其特征在于:所述TB3钛合金丝材的直径1.88～7.88mm，延伸率≥11％，同时抗拉强度达到≥1310MPa。
4.一种高强塑性TB3钛合金丝材热处理方法，其特征在于包括以下步骤：
固溶处理：对棒坯坯料进行加热，温度为790～820℃，保温10～20分钟后进行空冷；
冷变形：对于固溶处理后的棒坯或丝材坯料进行30～50％的冷拉拔，加工到半成品；
多边化处理：对冷变形半成品进行加热，温度为620～640℃，保温15分钟后进行空冷；
时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
5.一种高强塑性TB3钛合金丝材的制备方法，其特征在于：
准备棒坯：选用φ2.28～φ11.15mm的棒坯坯料；
固溶处理：对于棒坯坯料进行加热，温度为790～820℃，保温10～20分钟后进行空冷；
冷变形：对于固溶处理后的棒坯或丝材坯料进行30～50％的冷拉拔，加工到半成品；
多边化处理：对冷变形半成品进行加热，温度为620～640℃，保温15分钟后进行空冷；
时效热处理：对多边化处理后的半成品进行加热，温度为550℃，保温16小时后进行空冷。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
棒坯坯料选择的方法为：从成品规格φ1.88～φ7.88mm向前推算，并考虑磨抛去除的0.02mm余量，并且按照坯料经过30～50％冷变形量加工到φ1.9～φ7.9mm半成品尺寸向前推算。
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