CN115786824A - 一种同时提高tc4钛合金强度和塑性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，属于钛合金热处理领域，先经过原材料准备、辅材准备、设备及工装准备等原料准备过程，再经过机械抛光、清洗、设备和工装准备等预准备过程，然后进行旋转式高频感应加热固溶处理，控制感应电流22.5~26A和加热时长，并在加热结束后瞬间松开试样坠入冷却介质，最后进行真空时效处理，升温至350~650℃，保温4h‑8h，炉冷。本发明具有的优点包括：表层获得了呈梯度分布的显微组织，表层获得强度较高的片层组织，而逐渐过度到心部为塑性较好的等轴组织；表面硬化层既可增加样品的抗拉强度、又能抑制拉伸过程中颈缩的产生从而增加断后伸长率；表层氧化程度较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对钛合金既提高强度又提高塑性的方法，尤其涉及一种对TC4钛合金的表层到心部形成梯度组织达到同时提高强度和塑性的方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐高温、生物相容性好等一系列优点而广泛应用于航空、航天、化工、石油、建筑和医疗等领域。ɑ+β型双相钛合金具有优良的综合性能在航空航天工业用量占钛合金总用量的70 %。TC4钛合金作为典型的双相钛合金具有中等强度及良好的塑性、机械性能和工艺性能匹配，用于制造喷气发动机叶片、叶轮、起落架轮和结构件、紧固件等构件，使用量占钛合金加工件的95 %。金属材料的高强度兼高塑性一直是材料工作者追求的目标，也是机械工程应用的需要。但在传统工艺处理后，材料的强度和塑性总是保持相互制约关系，顾此失彼，不可兼得。传统金属材料在性能上呈现出“强度提升，塑性降低”的倒置关系长期也困扰着材料学界，极大地限制了高强度金属材料的应用范围。梯度金属材料的研究为材料科学的发展提供了新的启示，通过将具有非均匀分布特点的梯度结构引入材料微结构中，使得在提升材料强度的同时保持其原有塑性性能成为可能，进一步的研究也表明梯度结构材料可以改善材料的多种性能。
源于大自然的灵感，很早人们就利用表面热处理技术手段来制备梯度结构，如通过渗碳、渗氮和渗金属等热处理工艺获得工件表层获得化学成分梯度而达到改善材料表层的力学性能。由于金属材料具有较好的导热性，因而其热处理工艺的可控性不稳定，同时产生的梯度组织结构与基体之间往往具有明显的界面，削弱了梯度组织结构存在的意义。有人通过铜表面滚压技术制备出纳米孪晶结构实现了强度与韧性的同时提升；也有人基于表面研磨法制备了梯度纳米晶铜材料，平均晶粒尺寸为十几纳米的表层区域微硬度值高达1.65 GPa,而心部粗晶铜材料却只有0.75 Gpa；具有表层梯度结构的铜棒试样在屈服强度由63MPa提升至129MPa，依旧了保持与粗晶铜基材相同的塑性性能。
就钛合金而言，只有通过调控微观组织才能获得优异的力学性能。若要使TC4钛合金获得较好的塑性，则需要通过热机械工艺获得等轴组织或双态组织；若要使TC4钛合金获得较好的拉伸强度，则需要通过热机械工艺获得片层组织或网蓝组织；可以看出，钛合金中典型单一显微组织还不能满足既有较高强度又能保持较好塑性的要求。为此，有人提出了钛合金新型准β热处理工艺，有效解决了钛合金片层组织塑性偏低问题，同时又使之具有较高的强度，拓展了钛合金的应用领域。
发明内容
本发明旨在通过调控TC4钛合金获得“表里不一”的梯度显微组织，发明一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，包括以下阶段：
S1：原料准备
① 原材料准备：按国标要求加工直径Ф=8 mm，标距为L=20 mm 的室温拉伸试样作为原材料；
② 辅材准备：准备足量丙酮和不同型号的金相砂纸；
③ 设备及工装准备：最大功率10 kw、频率600~1100 KHz的高频感应加热设备，与原材料平行段外形尺寸相适应的铜制圆圈型感应工装，其中高频感应加热设备还集成有冷却装置、时间控制器、定位装置；额定使用温度为350~800℃的真空加热设备；
S2：预准备
① 将阶段S1步骤②准备的不同型号的金相砂纸对原材料的平行段的圆柱面进行机械抛光，提升表面的粗糙度至Ra0.8，获得表面光滑的原材料；
② 将阶段S1步骤①准备的原材料采用阶段S1步骤②准备的丙酮反复清洗干净，获得表面洁净原料，即完成原料的预准备，获得待处理原料金属；
③ 将步骤②获得的待处理原材料置于阶段S1步骤③准备的高频感应加热线圈内，并通过轴线和定位器将原材料置于铜制线圈工装中心区域；
④ 在高频感应加热设备在正下方20 cm以内的冷却装置内准备好冷却介质(冷水)；将定位装置对准待处理区域，完成设备和工装准备；
S3：高频感应加热固溶处理
① 通过两头顶针结构的工作区域旋转固定结构带动原料金属按一定速率旋转，在感应线圈下方盛装冷却介质容器；
② 开启高频感应加热设备，设置感应电流22.5~26A，通过高频感应加热装备自带的时间控制器设置并控制时间长短（时间控制精度为0.1秒），加热时间结束自动瞬间松开试样让其坠入冷却介质中进行快速冷却；
S4：时效处理
① 集齐一批高频感应加热固溶处理完成的原材料后，将真空加热设备内抽真空至不低于1×10-2Torr，然后升温至350~650℃，保温4h-8h，然后随炉冷却至室温并出炉，完成时效处理。
上述的一种适用于一种同时提高提高TC4钛合金强度和塑性的方法中，阶段S3步骤②优先参数加热时间为5.2s,阶段S4步骤①优选参数为升温至400℃，保温时间6 h进行时效处理。
与现有技术相比，本发明由于采用了以上技术方案，具有以下优点：
（1）本发明的同时提高TC4钛合金的强度和塑性的技术方便可控，通过短时快速加热固溶处理可以在TC4钛合金的表层的一定区域的达到β相单相区以上，在随后的快速冷却过程中表层的β相会转变为α′马氏体组织。在随后的等温时效过程中样品表层的α′马氏体分解为细小片状ɑ相和β相，提升样品的表层硬度。在拉伸过程中样品表面硬化层一方面起到强化的作用增加样品的抗拉强度；另一方面表面硬化层还能够抑制拉伸过程中颈缩的产生从而增加断后伸长率。
（2）TC4钛合金样品表面的硬化层的厚度大小可以简单通过加热时间的长短来控制。换句话说，需要硬化层厚的时候感应加热时间可以适当延长，而要求硬化层薄的时候可以将感应加热时间缩短。通过调控时效温度的高低还可以调节样品表层的硬度大小，从而调节TC4钛合金的强塑性的提升程度。另外，因为感应加热时间短（短短几秒），因而TC4钛合金的表层氧化程度较小（可以忽略）。
（3）本发明的同时提高TC4钛合金的强度和塑性技术的原因主要是缘于TC4钛合金的表层获得了呈梯度分布的显微组织，表层获得强度较高的片层组织，而逐渐过度到心部为塑性较好的等轴组织。这主要与表面感应加热的特性有关，因为感应加热是通过电磁感应原理来传递能量，利用工件中产生的涡流对工件进行加热的一种加热技术。在加热过程中，试样表面的感应电流最大，并从外层到心部逐渐减小。因此使TC4钛合金表层快速加热到相变温度以上，而心部由于热传导存在温度差处在于相变温度以下，最后获得了呈梯度的显微组织。再通过随后的时效处理赋予了TC4钛合金表层和心部的力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例1处理后TC4钛合金的应力应变曲线；
图2为本发明实施例2处理后TC4钛合金的应力应变曲线；
图3为本发明实施例3处理后TC4钛合金的应力应变曲线；
图4为本发明实施例4处理后TC4钛合金的应力应变曲线；
图5为本发明实施例5处理后TC4钛合金的应力应变曲线。
具体实施方式
实施例1：
一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，包括以下阶段：
S1：原料准备
①原材料准备：按国标准备直径Ф=8 mm，标距为L=20 mm的TC4钛合金作为原材料；
②辅材准备：准备足量丙酮和不同型号的金相砂纸；
③设备及工装准备：最大功率10 kw、频率600~1100 KHz的高频感应加热设备，与原材料平行段外形尺寸相适应的铜制圆圈型感应工装，其中高频感应加热设备还集成有冷却装置、时间控制器、定位装置；额定使用温度为350~800℃的真空加热设备；
S2：预准备
③ 将阶段S1步骤②准备的不同型号的金相砂纸对原材料的平行段的圆柱面进行机械抛光，提升表面的粗糙度至Ra0.8的表面，获得表面光洁度较高的原材料；
④ 将阶段S1步骤①准备的原材料采用阶段S1步骤②准备的丙酮反复清洗干净，获得表面洁净原料金属，即完成原料的预准备，获得待处理原料金属；
③ 将步骤②获得的待处理原材料置于阶段S1步骤③准备的高频感应加热线圈内，并通过轴线和定位器将原材料置于铜制线圈工装中心区域；
④ 在高频感应加热设备在正下方的冷却装置内准备好冷却介质(冷水)；将数字测温仪、定位装置对准待处理区域，完成设备和工装准备；
S3：高频感应加热固溶处理
① 通过两头顶针结构的工作区域旋转固定结构带动原料金属按一定速率旋转，在感应线圈下方盛装冷却介质容器；
② 开启高频感应加热设备，设置感应电流22.5~26A，通过高频感应加热装备自带的时间控制器设置并控制时间长短（时间控制精度为0.1秒），加热5.2 s后自动瞬间松开原材料让其坠入冷却介质中进行快速冷却；
S4：时效处理
① 集齐一批高频感应固溶处理完成的原料金属后，将真空加热设备内抽真空至不低于1×10-2 Torr，然后升温至550 ℃，保温6 h，然后随炉冷却至不高于180 ℃后出炉，完成时效处理。
根据本实施例方法制造的直径为Φ10 mm的圆柱形TC4钛合金柱，在合金的心部为初生ɑ相和β转变组织所构成；而试样的表层已经没有了初生ɑ相，说明表层的初生ɑ相在超高频感应加热过程中已经全部转变为β相，在快速冷却过程中β相将转变为ɑ′马氏体。在随后的时效过程中淬火ɑ′相中分解出细小的ɑ相和β相。在合金的过渡层出现少量的初生ɑ相，本实施例通过感应加热表面处理可以使合金获得梯度组织（如图所示），表层获得细片状组织，而在次表层和心部还有等轴状的初生ɑ相，从而使TC4钛合金的抗拉强度为1182 MPa，屈服强度1010 MPa，断后延伸率为6.3 %。
实施例2：
S1原材料准备、S2预准备和S3高频感应固溶处理三个阶段与实施例1相同，差异之处在于：
S4：时效处理
①升温至500 ℃，保温6 h；
根据本实施例方法制造的直径为Φ10mm的圆柱形TC4钛合金试样，除了具备与实施例1类似的硬度梯度外，其使TC4钛合金的表层显微组织片层特征稍微细小一些，抗拉强度为1202 MPa，屈服强度1052 MPa，断后延伸率为6.6 %。
实施例3：
S1原材料准备、S2预准备和S3高频感应固溶处理三个阶段与实施例1相同，差异之处在于：
S4：时效处理
①升温至400 ℃，保温6 h；
根据本实施例方法制造的直径为Φ10 mm的圆柱形TC4钛合金试样，除了具备与实施例1类似的硬度梯度，其使TC4钛合金的表层的显微组织片层特征更加细小，抗拉强度为1231 MPa，屈服强度1105 MPa，断后延伸率为10.1 %。
实施例4：
S1原材料准备、S2预准备和S4时效处理三个阶段与实施例1相同，差异之处在于：
S3：高频感应固溶处理
①高频感应固溶处理加热时间为5.1 s；
根据本实施例方法制造的直径为Φ10 mm的圆柱形TC4钛合金试样，除了具备与实施例1类似的硬度梯度外，其使TC4钛合金的表层热影响层厚度较小，合金抗拉强度为1154MPa，屈服强度1009 MPa，断后延伸率为10.7%。
实施例5：
S1原材料准备、S2预准备和S4时效处理三个阶段与实施例1相同，差异之处在于：
S3：高频感应固溶处理
①高频感应固溶处理加热时间为5.3 s；
根据本实施例方法制造的直径为Φ10 mm的圆柱形TC4钛合金试样，除了具备与实施例1差不多的硬度梯度和金相组织外，其使TC4钛合金的抗拉强度为1256 MPa，屈服强度1139 MPa，断后延伸率为9.4 %。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，其特征在于包括以下阶段：
S1：原料准备
① 原材料准备：按国标要求加工直径Ф=8 mm，标距为L=20 mm 的室温拉伸试样作为原材料；
② 辅材准备：准备足量丙酮和不同型号的金相砂纸；
③ 设备及工装准备：最大功率10 kw、频率600~1100 KHz的高频感应加热设备，与原材料平行段外形尺寸相适应的铜制圆圈型感应工装，其中高频感应加热设备还集成有冷却装置、时间控制器、定位装置；额定使用温度为350~800℃的真空加热设备；
S2：预准备
将阶段S1步骤②准备的不同型号的金相砂纸对原材料的平行段的圆柱面进行机械抛光，提升表面的粗糙度至Ra0.8，获得表面光滑的原材料；
将阶段S1步骤①准备的原材料采用阶段S1步骤②准备的丙酮反复清洗干净，获得表面洁净原料，即完成原料的预准备，获得待处理原料金属；
③ 将步骤②获得的待处理原材料置于阶段S1步骤③准备的高频感应加热线圈内，并通过轴线和定位器将原材料置于铜制线圈工装中心区域；
④ 在高频感应加热设备在正下方20 cm以内的冷却装置内准备好冷却介质(冷水)；将定位装置对准待处理区域，完成设备和工装准备；
S3：高频感应加热固溶处理
① 通过两头顶针结构的工作区域旋转固定结构带动原料金属按一定速率旋转，在感应线圈下方盛装冷却介质容器；
② 开启高频感应加热设备，设置感应电流22.5~26A，通过高频感应加热装备自带的时间控制器设置并控制时间长短（时间控制精度为0.1秒），加热时间结束自动瞬间松开试样让其坠入冷却介质中进行快速冷却；
S4：时效处理
① 集齐一批高频感应加热固溶处理完成的原材料后，将真空加热设备内抽真空至不低于1×10-2Torr，然后升温至350~650℃，保温4h-8h，然后随炉冷却至室温并出炉，完成时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，其特征在于：阶段S3步骤②中，加热时间优选参数为5.2s进行快速固溶处理。
3.根据权利要求1所述的一种同时提高TC4钛合金强度和塑性的方法，其特征在于：阶段S4步骤①优选参数为升温至400℃，保温时间6 h进行时效处理。
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