CN116479355A - 一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法。该方法包括以下步骤：步骤1：将钛合金板坯加热至β相变点以下10~30℃进行热轧处理，得到轧制钛合金板，并将所述轧制钛合金板冷却至室温；步骤2：将冷却后的所述轧制钛合金板放入热处理炉中进行热处理，得到初生α相含量5%~15%的双态组织，然后将热处理后的钛合金板冷却至室温。本发明无须改变现有钛合金生产制备工艺，不需要对材料成分进行调整，仅仅通过对合金组织进行调控，从而实现钛合金材料的应力腐蚀敏感性的降低，同时保证材料具有较好的塑韧性，效率高、成本低、简单易操作，适合多种船用钛合金材料。
Description
技术领域
本发明属于钛合金处理技术领域，具体涉及一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法。
背景技术
钛合金材料具有耐腐蚀性好、比强度高以及生物相容性好的特点，目前已被广泛用于航空航天、医疗、化工以及舰船等领域。舰船用钛合金主要使用的为α型钛合金、近α型钛合金和少量α+β型钛合金，这几种类型的钛合金具有韧性好、强度适中、热变形和焊接工艺性好的特点。应力腐蚀是指材料在应力和化学腐蚀的共同作用下，引发材料的裂纹扩展直至断裂。由于应力腐蚀所需的应力水平小，远低于设计应力，且断裂为低应力脆断，对结构造成较大的威胁。海水是一种引发应力腐蚀的典型腐蚀环境，已经有较多报道证实海水中的Cl化物容易引发多种金属材料的应力腐蚀，包括钢铁、铝合金、镍基合金、镁合金、铜合金、钛合金等。对于在海洋环境中使用的钛合金，其应力腐蚀性能极为关键，提高其应力腐蚀开裂门槛值和降低应力腐蚀敏感性对拓宽其应用极为关键。
在海洋环境中应力腐蚀的影响因素较多，包括材料自身的成分、组织、缺陷、不均匀性，加载的应力值以及腐蚀环境的温度、pH值、海水流速等。目前为了提高钛合金材料的抗应力腐蚀性能，主要是在材料成分设计上进行改善，比如添加Mo元素被认为能提高金属材料的抗应力腐蚀性能。另外，一些学者提出，通过使用热等静压制备的方法，消除材料组织的不均匀性可以提高材料的抗应力腐蚀性能。添加合金元素对材料的成分进行调整往往会导致其他材料性能，如力学性能、腐蚀性能以及断裂性能等改变，且对新材料的评估需要耗费大量的时间、人力及物力，资源耗费巨大。而热等静压设备昂贵，且属于压力容器，维护和使用成本高，另外效率低、粉末的价格高、后续加工难度大、尺寸受限于设备容积，因此使用热等静压的方法制备材料难以大规模推广使用。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提出一种通过组织调控技术提高钛合金材料应力腐蚀性能的方法，该方法无须改变现有钛合金生产制备工艺，不需要对材料成分进行调整，仅仅通过对合金组织进行调控，从而实现钛合金材料的应力腐蚀敏感性的提高，同时保证材料具有较好的塑韧性，效率高、成本低、简单易操作，适合多种船用钛合金材料。
具体的，本发明提供了一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法。该方法包括以下步骤：
步骤1：将钛合金板坯加热至β相变点以下10~30℃进行热轧处理，得到轧制钛合金板，并将所述轧制钛合金板冷却至室温；
步骤2：将冷却后的所述轧制钛合金板放入热处理炉中进行热处理，得到初生α相含量5%~15%的双态组织，然后将热处理后的钛合金板冷却至室温。
作为本发明的进一步说明，所述热轧温度为β相变点以下15~25℃。
作为本发明的进一步说明，所述热处理温度为β相变点以下5~18℃，保温时间1~5h。
作为本发明的进一步说明，所述热处理的加热方式为随炉加热。
作为本发明的进一步说明，所述热轧处理需进行两次轧制，且第一次轧制和第二次轧制的方向彼此垂直90°。
作为本发明的进一步说明，所述第一次轧制结束后，需再次加热达到热轧温度后再进行所述第二次轧制。
作为本发明的进一步说明，所述钛合金板坯的初始厚度为120mm，经过所述第一次轧制后，板坯厚度下降至60~80mm，经过所述第二次轧制后，板坯厚度下降至26~40mm。
作为本发明的进一步说明，所述钛合金板的材质为TC4合金、TA31合金或Ti75合金。
作为本发明的进一步说明，所述热处理炉内的气氛为空气或真空；所述热处理炉为电阻炉或天然气炉；所述热处理炉的温度控制偏差为±3℃。
作为本发明的进一步说明，步骤1中热轧处理的冷却方式为空冷；步骤2中热处理后的冷却方式为空冷。
作为本发明的进一步说明，板材热处理前需经表面清洗去除油污、灰尘或其他杂质；热处理后也需要去除表面氧化皮等。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明经过两次换向90°轧制，可以使得材料变形更均匀，避免了局部取向一致和较大面积的织构区产生，减弱了材料的各向异性，抑制了应力腐蚀裂纹的扩展，有利于提高材料的抗应力腐蚀性能。
本发明通过对组织的精细调控处理工艺，即可得到初生α相含量为5%~15%的双态组织，最终得到材料的屈服强度为750~850MPa，延伸率大于15%，材料在加载至0.9KIC（KIC为断裂韧性）时，不发生应力腐蚀破坏。在使材料保持良好塑性的同时，提高了其抗应力腐蚀性能。
使用本发明的热处理工艺，一方面，可以减少初生α相的占比，抑制应力腐蚀裂纹的萌生，同时可以提高材料的耐腐蚀能力。另一方面，增加片层状转变β相，提高应力腐蚀裂纹扩展的抗力。另外，通过热处理进行组织调控同时使得晶粒取向更随机，可以避免微织构区产生，削弱强织构，使材料内部应力和应变不易集中，从而抑制应力腐蚀裂纹的萌生和扩展，提高应力腐蚀裂纹扩展门槛值KISCC。
本发明仅使用组织的精细调控即可实现材料应力腐蚀性能的提升，设备需求简单、工艺简单、成本低、效率高。该工艺可以与常用钛合金的传统制备工艺结合，无需额外昂贵的材料和设备，适用性更广。
以TC4合金为例，经过本发明所述方法处理后，裂纹沿轧向和横向扩展的KISCC值均大于81MPa•m0.5，KISCC/KIC>0.9。根据经验，KISCC/KIC大于0.75即可认为应力腐蚀不敏感。可见，通过热处理进行组织调控可极大提高该合金材料的应力腐蚀抗性。
附图说明
图1为本申请实施例3得到的初生α相比例10%的组织扫描电镜背散射电子像。
图2为本申请实施例3得到的合金样品加载0.9KIC，应力腐蚀实验后的裂纹横截面扫描电镜二次电子像。
图3为本申请实施例3得到的合金样品加载0.9KIC，应力腐蚀实验拉开后的断口扫描电镜二次电子像。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动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。
实施例
选取原材料为Ti-6Al-4V（TC4）合金，经DSC测试Ti-6Al-4V的β相变点为980℃。选取厚度120mm的板坯，加热至965±5℃经过第一次轧制厚度减至80mm，第一次轧制后需要重新加热至965±5℃进行第二次轧制，第一次轧制后换向90°进行第二次轧制至板材厚度为40mm后，随后空冷得到轧制Ti-6A-4V板材。
取轧制后的Ti-6Al-4V板材，放入电阻式热处理炉内随炉加热至970±3℃，保温5h后空冷，得到初生α相比例为15%的双态组织。
根据GB/T 228.1-2019《金属材料 拉伸实验第1部分：室温试验方法》取拉伸试样，测试材料的拉伸性能为：屈服强度850MPa，延伸率15.5%。依据GB/T 15970.6-2017《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀实验 第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹 试样制备和应用》使用线切割切取恒位移应力腐蚀试样进行测试，测试环境为3.5%NaCl 溶液，温度为室温，分别将样品加载至0.3KIC~0.9KIC，最高加载至81MPa•m0.5，实验周期为60天。60天后将材料拉开，观察其断口，判断是否发生应力腐蚀。经测试，所有样品均未发生应力腐蚀开裂，材料的KISCC>81MPa•m0.5， KISCC/KIC >0.9，材料无应力腐蚀敏感性。
对比例1：
选取原材料为Ti-6Al-4V合金，经DSC测试其β相变点为980℃。选取厚度120mm厚的板坯，加热至965±5℃经过第一次轧制厚度减至60mm，第一次轧制后需要重新加热至965±5℃进行第二次轧制，第一次轧制后换向90°进行第二次轧制至板材厚度为26mm后，随后空冷得到轧制Ti-6Al-4V板材。
取轧制后的Ti-6Al-4V板材，根据GB/T 228.1-2019《金属材料 拉伸实验第1部分：室温试验方法》取拉伸试样，测试材料的拉伸性能为：屈服强度830MPa，延伸率16%。依据GB/T 15970.6-2017《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀实验 第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样制备和应用》使用线切割切取恒位移应力腐蚀试样进行测试，测试环境为3.5%NaCl 溶液，温度为室温，分别将样品加载至0.3KIC~0.9KIC，最高加载至81MPa•m0.5，实验周期为60天。60天后将材料拉开，观察其断口，判断是否发生应力腐蚀。经测试，样品加载值高于36MPa•m0.5时发生应力腐蚀开裂，材料的KISCC=36MPa•m0.5， KISCC/KIC<0.75，材料应力腐蚀敏感性较强。
实施例
选取原材料为Ti-6Al-4V（TC4）合金，经DSC测试Ti-6Al-4V的β相变点为980℃。选取厚度120mm的板坯，加热至965±5℃经过第一次轧制厚度减至80mm，第一次轧制后需要重新加热至965±5℃进行第二次轧制，第一次轧制后换向90°进行第二次轧制至板材厚度为40mm后，随后空冷得到轧制Ti-6A-4V板材。
取轧制后的Ti-6Al-4V板材，放入电阻式热处理炉内随炉加热至975±3℃，保温5h后空冷，得到初生α相比例为8%的双态组织。
根据GB/T 228.1-2019《金属材料 拉伸实验第1部分：室温试验方法》取拉伸试样，测试材料的拉伸性能为：屈服强度850MPa，延伸率15%。依据GB/T 15970.6-2017《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀实验 第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹 试样制备和应用》使用线切割切取恒位移应力腐蚀试样进行测试，测试环境为3.5%NaCl 溶液，温度为室温，分别将样品加载至0.3KIC~0.9KIC，最高加载至83MPa•m0.5，实验周期为60天。60天后将材料拉开，观察其断口，判断是否发生应力腐蚀。经测试，所有样品均未发生应力腐蚀开裂，材料的KISCC>83MPa•m0.5， KISCC/KIC >0.9，材料无应力腐蚀敏感性。
实施例
选取原材料为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo（TA31）合金，经DSC测试其β相变点为1000℃。选取厚度120mm厚的板坯，加热至975±5℃经过第一次轧制厚度减至60mm，第一次轧制后需要重新加热至975±5℃进行第二次轧制，第一次轧制后换向90°进行第二次轧制至板材厚度为26mm后，随后空冷得到轧制Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo板材。
取轧制后的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo板材，放入电阻式热处理炉内随炉加热至990±3℃，保温2h后空冷，得到初生α相比例为10%的双态组织，其组织如图1所示。
根据GB/T 228.1-2019《金属材料 拉伸实验第1部分：室温试验方法》取拉伸试样，测试材料的拉伸性能为：屈服强度780MPa，延伸率17%。依据GB/T 15970.6-2017《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀实验 第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹 试样制备和应用》使用线切割切取恒位移应力腐蚀试样进行测试，预制裂纹扩展方向与轧制方向相同。测试环境为3.5%NaCl 溶液，温度为室温，分别将样品按梯度加载，最高加载至99MPa•m0.5，实验周期为60天。60天后将试样拉开，观察其断口，判断是否发生应力腐蚀。图2示出了加载为99MPa•m0.5时，样品的裂纹横截面，可以看出图2中仅有较粗的预制疲劳裂纹，而无应力腐蚀裂纹产生。图3为应力腐蚀试验后，加载最高99MPa•m0.5的样品拉开后观察的断口SEM图，结果表明，断口上仅观察到预制疲劳区，无应力腐蚀区，说明样品未发生应力腐蚀开裂。因此，按照本发明方法处理的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo材料的KISCC>99MPa•m0.5， KISCC/KIC >0.9，材料无应力腐蚀敏感性。
类似地，取预制裂纹扩展方向与轧制方向相同的试样进行恒位移应力腐蚀测试，所有测试条件均相同。最高加载至95 MPa•m0.5。最高加载下，未发生应力腐蚀开裂。因此，材料沿横向的KISCC>95MPa•m0.5，KISCC/KIC >0.9，材料无应力腐蚀敏感性，沿横向和轧向无明显各向异性。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将钛合金板坯加热至β相变点以下10~30℃进行热轧处理，得到轧制钛合金板，并将所述轧制钛合金板冷却至室温；
步骤2：将冷却后的所述轧制钛合金板放入热处理炉中进行热处理，得到初生α相含量5%~15%的双态组织，然后将热处理后的钛合金板冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述热轧温度为β相变点以下15~25℃。
3.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述热处理温度为β相变点以下5~18℃，保温时间1~5h。
4.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述热处理的加热方式为随炉加热。
5.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述热轧处理需进行两次轧制，且第一次轧制和第二次轧制的方向彼此垂直90°。
6.根据权利要求5所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述第一次轧制结束后，需再次加热达到热轧温度后再进行所述第二次轧制。
7.根据权利要求5所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述钛合金板坯的初始厚度为120mm，经过所述第一次轧制后，板坯厚度下降至60~80mm，经过所述第二次轧制后，板坯厚度下降至26~40mm。
8.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述钛合金板的材质为TC4合金、TA31合金或Ti75合金。
9.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，所述热处理炉内的气氛为空气或真空；所述热处理炉为电阻炉或天然气炉；所述热处理炉的温度控制偏差为±3℃。
10.根据权利要求1所述的利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法，其特征在于，步骤1中热轧处理的冷却方式为空冷；步骤2中热处理后的冷却方式为空冷。
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| CN202310508282.5A Pending CN116479355A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种利用组织调控提高钛合金应力腐蚀性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116479355A (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012149283A (ja) * | 2011-01-17 | 2012-08-09 | Nippon Steel Corp | α＋β型チタン合金の熱間圧延方法 |
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2023
- 2023-05-08 CN CN202310508282.5A patent/CN116479355A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012149283A (ja) * | 2011-01-17 | 2012-08-09 | Nippon Steel Corp | α＋β型チタン合金の熱間圧延方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李辉;毛小南;于兰兰;吕利强;: "Ti-6Al-4V钛合金厚板组织、性能研究", 热加工工艺, vol. 42, no. 06, 31 March 2013 (2013-03-31), pages 57 - 58 * |
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