CN117165884A - 一种tc4钛合金热处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种TC4钛合金热处理方法及其应用。一方面，本申请提供了一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：S1、在真空下对TC4钛合金进行固溶处理，然后气体冷却；S2、在真空下对步骤S1固溶处理的TC4钛合金进行时效处理，然后气体冷却，得到TC4钛合金；所述步骤S1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温；所述步骤S2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温。另一方面，本申请还提供了上述热处理方法制备的TC4钛合金及其应用。本申请制备的TC4钛合金强度和塑性均较为优异，同时冲击韧性也较为优异，硬度也较高。
Description
技术领域
本申请涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种TC4钛合金热处理方法及其应用，主要适用于特定要求的钛合金及零部件的真空热处理。
背景技术
TC4钛合金是一种常见的钛合金，也被称为6-4钛合金，是由6%的铝（Al）和4%的钒（V）组成，其余为钛（Ti），具有轻质、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域。
TC4钛合金常用的热处理方法包括：退火处理、固溶处理和时效处理。其中，退火处理适用于所有的钛合金，能够消除钛合金的内应力、提高塑性和组织稳定性；此外，钛合金也采用时效处理，时效处理包括高温固溶淬火，然后在中温下进行时效，时效处理一般适用于β型钛合金和α-β型钛合金。
然而目前，TC4钛合金在进行固溶、时效热处理时，固溶处理一般采用非真空炉进行水冷，时效处理一般采用非真空炉进行空冷或者炉冷，热处理完毕后，工件存在表面氧化问题。而采用真空热处理炉进行固溶、时效处理后，存在拉伸性能和冲击性能等力学性能不合格、不稳定，甚至不能满足某些技术要求等问题。
基于此，急需开发一种满足特定需求的钛合金真空热处理方法使得制备的钛合金具有优异稳定的强度和塑韧性等综合力学性能。
发明内容
为了解决上述至少一种技术问题，开发一种强度和塑性均较为优异，同时冲击韧性也较为优异，硬度也较高的钛合金，本申请提供一种TC4钛合金热处理方法及其应用。
一方面，本申请提供了一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、在真空下对TC4钛合金进行固溶处理，固溶处理温度为900℃~980℃，保温时间0.5h以上，气体冷却；
S2、在真空下对步骤S1固溶处理的TC4钛合金进行时效处理，时效处理温度为520℃~590℃，保温时间3h以上，气体冷却，得到TC4钛合金；
所述步骤S1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量3000~11500m3/h，炉膛出口处流量12000m3/h以上；
所述步骤S2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量500~3800m3/h，炉膛出口处流量3000m3/h以上；
所述步骤S1和步骤S2中，通入的惰性气体的压强控制在5bar以内。
可选的，所述步骤S1中，固溶处理温度为920℃~950℃，保温时间为1h~2h；所述步骤S2中，时效处理温度为550℃~580℃，保温时间为4h~5h。
通过采用上述技术方案，本申请提供一种特定的TC4钛合金的真空热处理方法，在真空条件下，采用特定的固溶处理参数，配合惰性气体冷却的工艺方法，制备的TC4钛合金将组织中部分α相转变为β相，在随后的快速冷却过程中得到足够数量的亚稳态β相；本申请的热处理方法，还采用了特定的时效处理参数，配合真空条件下惰性气体冷却的工艺方法，能够有效控制合金组织中α相和β相的体积分数，以及次生α相的尺寸和分布，同时消除合金的残余内应力，在进一步提升合金的强度、塑性和韧性的前提下，使合金具有适宜的硬度，以降低加工难度；本申请的整体方法步骤设计，制备得到的TC4钛合金，α相和β相的尺寸均较为细小，α相和β相的分布较为均匀，除了拉伸性能显著提高外，还具有较好的冲击性能；本申请的整体方法步骤设计，固溶处理和时效处理均在真空条件下进行，且在惰性气氛下进行降温冷却处理，合金在整个热处理过程中无需开炉取出，能够有效减少开炉次数，提高生产效率。
可选的，所述步骤S1中，所述通入的惰性气体的压强为1.5~3.5bar。
可选的，所述步骤S1中，所述通入的惰性气体为氩气，强冷冷却时，炉膛入口处流量5000~9000m3/h，炉膛出口处流量18000m3/h以上。
可选的，所述步骤S2中，所述通入惰性气体冷却，采用分两阶段冷却的方式；第一阶段先通入惰性气体，静置冷却至460℃~500℃，第二阶段在第一阶段惰性气体下强冷冷却至室温；
通过采用上述技术方案，本申请在时效处理时，采用分两阶段冷却的方式，制得的TC4钛合金的各项性能，能够得到进一步的显著提升。
可选的，所述步骤S2中，所述通入的惰性气体的压强为0.5~1.5bar。
可选的，所述步骤S2中，所述通入的惰性气体为氩气，气体冷却时，炉膛入口处流量1200~3500m3/h，强冷冷却时，炉膛出口处流量4000~8000m3/h。
另一方面，本申请还提供了上述TC4钛合金的热处理方法制备的TC4钛合金，其特征在于，所述TC4钛合金包括20~50%体积分数的α相和50~80%体积分数的β相；所述α相的尺寸：长为9.1~93.8μm，宽为4.2~12.7μm；所述β相的尺寸：长为5.5~108.2μm，宽为0.9~3.5μm。
可选的，所述TC4钛合金的抗拉强度1014.6MPa~1061.8MPa，屈服强度为934.8MPa~961.4MPa，延伸率12.6%~18.3%，断面收缩率35.8%~42.5%，冲击韧性55.5KJ/m2~67.8KJ/m2，硬度HRC36.1~42.3。
第三方面，本申请提供了上述的TC4钛合金，在航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域的应用。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1. 本申请提供一种特定的TC4钛合金的热处理方法，在真空条件下，采用特定的固溶处理参数，配合惰性气体冷却的工艺方法，制备的TC4钛合金将组织中部分α相转变为β相，在随后的快速冷却过程中得到足够数量的亚稳态β相。
2. 本申请的热处理方法，还采用了特定的时效处理参数，配合真空条件下惰性气体冷却的工艺方法，能够有效控制合金组织中α相和β相的体积分数，以及次生α相的尺寸和分布，同时消除合金的残余内应力，在进一步提升合金的强度、塑性和韧性的前提下，使合金具有适宜的硬度，以降低加工难度。
3. 本申请的整体方法步骤设计，制备得到的TC4钛合金，α相和β相的尺寸均较为细小，α相和β相的分布较为均匀，除了强度和塑性显著提高外，还具有较好的冲击韧性。
4. 本申请的整体方法步骤设计，固溶处理和时效处理均在真空条件下进行，且在惰性气氛下进行降温冷却处理，合金在整个热处理过程中无需开炉取出，能够有效减少开炉次数，提高生产效率。
附图说明
图1为实施例3的金相组织图；
图2为实施例6的金相组织图；
图3为实施例8的金相组织图；
图4为对比例2的金相组织图；
图5为对比例4的金相组织图；
图6为对比例5的金相组织图。
实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请设计了一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、在真空下对TC4钛合金进行固溶处理，固溶处理温度为900℃~980℃，保温时间0.5h以上，气体冷却；
S2、在真空下对步骤S1固溶处理的TC4钛合金进行时效处理，时效处理温度为520℃~590℃，保温时间3h以上，气体冷却，得到TC4钛合金；
所述步骤S1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量3000~11500m3/h，炉膛出口处流量12000m3/h以上；
所述步骤S2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量500~3800m3/h，炉膛出口处流量3000m3/h以上；
所述步骤S1和步骤S2中，通入的惰性气体的压强控制在5bar以内。
TC4钛合金是一种综合力学性能优异，轻质、耐腐蚀的合金，是一种金相组织为α+β双相组织的钛合金。由于TC4钛合金在热处理前，由密排六方晶格的结构的α钛和体心立方结构的β钛构成，具有冷轧成型加工困难和耐磨性差等缺点，因此，本领域通常会对TC4钛合金进行热处理，使合金软化，降低加工难度，使合金的强度、塑性和韧性提高。
目前，对于TC4钛合金的热处理方法，主要以退火和固溶+时效处理为主，适宜的热处理温度和时间，能够有效保证TC4钛合金的综合力学性能。现有技术表明，通过热处理，调整α相和β相的占比、两相的分布，以及α相和β相的尺寸，能够调整TC4钛合金的综合力学性能。发明人通过对现有TC4钛合金热处理工艺的研究发现，现有的TC4钛合金热处理工艺改进，主要集中在固溶和时效处理温度，以及处理时间上，但是即使采用目前最优的处理温度和时间参数进行热处理，获得的TC4钛合金的相关性能也较为有限。
近年来，现有技术中开始存在部分TC4钛合金热处理方法的改进方案，对冷却方式进行改进和优化，能够进一步提升TC4钛合金的各项性能。目前，现有技术已公开的TC4钛合金热处理方法中，冷却主要采用水冷、油冷、空冷和炉冷等方式。根据现有技术的研究成果，采用水冷对TC4钛合金的各项性能提升幅度，相对更大。但是无论哪种冷却方式，都无法实现各项性能参数的兼顾，难以实现对TC4钛合金性能的显著提升。
申请人针对现有技术存在的各种缺陷和问题，设计了本申请的方案，采用全程真空条件的固溶和时效处理，配合惰性气体冷却的方式，并且固溶处理和时效处理采用不同的冷却速率，制得的TC4钛合金的各项性能，有了相对显著的提升。
以下为本申请的具体实施例
本申请的实施例使用的初始TC4钛合金，为含铝6%、含钒4%的标准6-4钛合金。
本申请实施例采用真空炉作为热处理设备。
本申请实施例所指的室温，特指15~30℃的温度范围，只要实验条件处于该温度范围内均属于本申请所述的室温。本申请涉及室温的温度参数，处于上述温度范围内，对本申请合金性能并无影响。
实施例1~4
本申请实施例1~4采用室温的惰性气体作为冷却介质，采用的惰性气体为氩气。
实施例1
一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、对TC4钛合金进行固溶处理，在真空下，固溶处理温度为920℃~925℃，保温时间2h；而后通入室温的氩气冷却，通入的氩气的压强控制在5bar，控制炉膛入口处气体流量3500~5900m3/h，炉膛出口处风机流量12000m3/h左右，冷却至室温；
S2、在真空下，对固溶处理完毕后的TC4钛合金，进行时效处理，时效处理温度为520℃~525℃，保温时间5h；而后通入室温的氩气冷却，通入的氩气的压强控制在5bar，控制炉膛入口处气体流量500~1800m3/h，炉膛出口处风机流量3000m3/h左右，冷却至室温。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的步骤S1中，固溶处理温度为930℃~935℃，保温时间1.5h；步骤S2中，时效处理温度为540℃~545℃，保温时间4.5h。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的步骤S1中，固溶处理温度为945℃~950℃，保温时间1h；步骤S2中，时效处理温度为555℃~560℃，保温时间4h。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，本实施例的步骤S1中，固溶处理温度为965℃~970℃，保温时间0.5h；步骤S2中，时效处理温度为575℃~580℃，保温时间3h。
以下为本申请对比例
对比例1
与本申请实施例3的热处理工艺基本相同，区别仅在于固溶和时效处理均采用炉冷冷却至室温的方式。
对比例2
与本申请实施例3的热处理工艺基本相同，区别仅在于步骤S1固溶处理后，冷却时控制炉膛入口处气体流量3000~4800m3/h，炉膛出口处风机流量10000m3/h左右；步骤S2时效处理后，冷却时控制炉膛入口处气体流量400~1200m3/h，炉膛出口处风机流量2000m3/h左右。
对比例3
与本申请实施例3的热处理工艺基本相同，区别仅在于步骤S1固溶处理后，冷却时的通入气体压强控制在1.0bar；步骤S2时效处理后，冷却时的通入气体压强控制在0.3bar。
对比例4
与本申请实施例3的热处理工艺基本相同，本实施例步骤S1固溶处理后，充入2bar的高压氩气冷却至室温；本实施例步骤S2时效处理后，炉冷冷却至室温。
对比例5
与本申请实施例3的热处理工艺基本相同，区别仅在于步骤S1固溶处理后，充入2bar的高压氩气冷却至室温；本实施例步骤S2时效处理后，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温。
对本申请实施例1~4的热处理后的TC4钛合金和对比例1~5的热处理后的TC4钛合金进行检测，检测其金相组织，以及综合力学性能，具体检测结果如表1和表2所示。
本申请实施例3的合金的金相组织照片如图1所示，本申请对比例2、4和5的合金的金相组织照片如图4~6所示。
本申请所采用的检测方法：
金相组织：德国徕卡Leica DMI 8型光学显微镜；
抗拉强度（MPa）、屈服强度（MPa）、延伸率（%）、断面收缩率（%）：根据《GB/T 228.1-2021：金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》标准检测室温下的钛合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率；
冲击韧性（KJ/m2）：根据《GB/T 229-2020：金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》进行检测室温下的钛合金的冲击韧性；
硬度（HRC）：根据《GB/T 230.1-2018：金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》检测室温下的钛合金的硬度。
表1实施例1~4及对比例1~5钛合金力学性能检测结果
表2实施例1~4及对比例1~5钛合金组织参数
通过表1和表2的数据，以及图1和图4~6的照片可以看出，本申请实施例1~4的TC4钛合金的α相占比在50%以内，而且α相呈细长条状，β相呈细长针状，双相的分布相对均匀；对比例1、4、5的TC4钛合金的α相占比相对较大，超过了50%，对比例2~3的α相占比相对较小。可见，采用通入高压氩气强冷的固溶处理的冷却方式，以及通入氩气冷却的时效处理的冷却方式，可以有效控制合金中α相和β相的占比，使得合金中α相和β相的占比能够控制在较佳范围内。通过表1和表2的数据，对比例1~5的TC4钛合金，α相和β相的尺寸相对于本申请实施例1~4的TC4钛合金而言，更为粗大；特别是对比例1、4、5的TC4钛合金，α相和β相的尺寸相对于其它实施例和对比例而言，明显更为粗大。可见，采用通入高压氩气强冷的固溶处理的冷却方式，以及通入氩气冷却的时效处理的冷却方式，可以有效控制合金中α相和β相的尺寸，使α相和β相的尺寸更为细长。
通过表1和表2的数据还可以看出，本申请实施例1~4的TC4钛合金，强度明显高于对比例1~5的TC4钛合金；此外，本申请实施例1~4的TC4钛合金的延伸率、断面收缩率、冲击韧性，以及硬度，均要大幅优于对比例1~5的TC4钛合金。由此可见，采用本申请的热处理工艺处理的TC4钛合金的综合力学性能比现有合金有明显的提升。
综合上述数据来看，本申请的热处理工艺，能够使得TC4钛合金的α相占比控制在50%以内，α相和β相具有细长的形貌，且尺寸较小，分布相对均匀，进而有效提高了TC4钛合金的综合力学性能。
以下为本申请的实施例5~14，以本申请实施例3为基础。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例步骤S2中，通入氩气冷却，采用分两阶段冷却的方式；第一阶段先通入氩气，控制炉膛入口处气体流量1100~2000m3/h，静置冷却至460℃；第二阶段在氩气介质下，炉膛出口处风机流量4000m3/h左右，强冷冷却至室温。
实施例6
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例步骤S2中，通入氩气冷却，采用分两阶段冷却的方式；第一阶段先通入氩气，控制炉膛入口处气体流量1800~2800m3/h，静置冷却至480℃；第二阶段在氩气介质下，炉膛出口处风机流量6000m3/h左右，强冷冷却至室温。
实施例7
本实施例与实施例3的区别在于，本实施例步骤S2中，通入氩气冷却，采用分两阶段冷却的方式；第一阶段先通入氩气，控制炉膛入口处气体流量2500~3800m3/h，静置冷却至500℃；第二阶段在氩气介质下，炉膛出口处风机流量8000m3/h左右，强冷冷却至室温。
实施例8
本实施例与实施例6的区别在于，本实施例步骤S1中，冷却时，控制炉膛入口处流量5000~9000m3/h，炉膛出口处流量18000m3/h左右。
实施例9
本实施例与实施例6的区别在于，本实施例步骤S1中，冷却时，控制炉膛入口处流量7500~11500m3/h，炉膛出口处流量23500m3/h左右。
实施例10
本实施例与实施例8的区别在于，本实施例步骤S1中，通入氩气强冷时通入气体的压强1.5bar。
实施例11
本实施例与实施例8的区别在于，本实施例步骤S1中，通入氩气强冷时通入气体的压强2.5bar。
实施例12
本实施例与实施例8的区别在于，本实施例步骤S1中，通入氩气强冷时通入气体的压强3.5bar。
实施例13
本实施例与实施例11的区别在于，本实施例步骤S2中，通入氩气的压强0.5bar。
实施例14
本实施例与实施例11的区别在于，本实施例步骤S2中，通入氩气的压强1.5bar。
对本申请实施例5~14的热处理后的TC4钛合金进行检测，检测其金相组织，以及综合力学性能，具体检测结果如表3和表4所示。实施例6和8的热处理后钛合金的金相组织照片如图2和图3所示。
表3实施例5~14钛合金力学性能检测结果
表4实施例5~14钛合金组织参数
通过表3和表4的数据，以及图2和图3的金相组织照片可以看出，本申请时效处理，采用分两阶段冷却后，TC4钛合金组织中α相和β相的尺寸更为细小，分布更为均匀，两相的匹配度更好。本申请时效处理，采用分两阶段冷却后，TC4钛合金的强度明显得到了提升，而且其它力学性能也得到了进一步的提升，综合力学性能提升明显。
通过表3和表4的数据还可以看出，本申请实施例9的TC4钛合金的综合力学性能略优于实施例8的TC4钛合金，由此可以看出，固溶处理冷却时气体流量越大越好，但超过一定范围后对力学性能的影响就不很明显，因此固溶处理冷却时气体流量应控制在合适的范围，能够最大效率的提高合金的性能。
通过表3和表4的数据还可以看出，本申请热处理，在通入氩气冷却时，精确控制压强，能够使本申请的TC4钛合金的延伸率和冲击韧性等性能获得进一步的有效提升。
综上，本申请的冷却步骤，对于冷却气体的压强和流量控制要求十分严格，在本申请设计的压强和流量范围内，TC4钛合金的综合力学性能相对最优。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：
S1、在真空下对TC4钛合金进行固溶处理，固溶处理温度为900℃~980℃，保温时间0.5h以上，气体冷却；
S2、在真空下对步骤S1固溶处理的TC4钛合金进行时效处理，时效处理温度为520℃~590℃，保温时间3h以上，气体冷却，得到TC4钛合金；
其特征在于，所述步骤S1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量3000~11500m3/h，炉膛出口处流量12000m3/h以上；
所述步骤S2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量500~3800m3/h，炉膛出口处流量3000m3/h以上；
所述步骤S1和步骤S2中，通入的惰性气体的压强控制在5bar以内。
2.根据权利要求1所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，固溶处理温度为920℃~950℃，保温时间为1h~2h；所述步骤S2中，时效处理温度为550℃~580℃，保温时间为4h~5h。
3.根据权利要求1所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述通入的惰性气体的压强为1.5~3.5bar。
4.根据权利要求1所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述通入的惰性气体为氩气，强冷冷却时，炉膛入口处流量5000~9000m3/h，炉膛出口处流量18000m3/h以上。
5.根据权利要求1所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用分两阶段进行冷却，第一阶段在惰性气体氛围下静置冷却至460℃~500℃，第二阶段在惰性气体氛围下强冷冷却至室温。
6.根据权利要求5所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述通入的惰性气体的压强为0.5~1.5bar。
7.根据权利要求5所述的TC4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述通入的惰性气体为氩气，气体冷却时，炉膛入口处流量1200~3500m3/h，强冷冷却时，炉膛出口处流量4000~8000m3/h。
8.一种如权利要求1所述的TC4钛合金的热处理方法制备的TC4钛合金，其特征在于，所述TC4钛合金包括20~50%体积分数的α相和50~80%体积分数的β相；所述α相的尺寸：长为9.1~93.8μm，宽为4.2~12.7μm；所述β相的尺寸：长为5.5~108.2μm，宽为0.9~3.5μm。
9.根据权利要求8所述的TC4钛合金，其特征在于，所述TC4钛合金的抗拉强度1014.6MPa~1061.8MPa，屈服强度为934.8MPa~961.4MPa，延伸率12.6%~18.3%，断面收缩率35.8%~42.5%，冲击韧性55.5KJ/m2~67.8KJ/m2，硬度HRC36.1~42.3。
10.一种权利要求8所述的TC4钛合金，在航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域的应用。
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