CN117660858A - 一种提高tc10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，首先将TC10钛合金在相变点温度940℃进行加热并保温1h～2h，之后随炉冷却到800℃～850℃并进行保温1.5h～2h，随后立即进行水冷，再将合金加热至560℃，并保温4h～6h，随后将合金取出进行室温冷却，此时合金组织为条状α相和等轴状α相构成的混合组织，同时具备较高的抗拉强度与延伸率，合金抗拉强度≥1300MPa的同时，断后延伸率≥10％。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法。
技术背景
钛及钛合金具有耐高温、耐低温、耐腐蚀性、比强度高的众多优异特点，被广泛的使用在航天航空、海洋工程、生物医疗等众多领域。TC10钛合金的名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是由TC4钛合金(名义成分Ti-6Al-4V)改变而来，相比TC4钛合金而言，TC10钛合金中含有更多的β类稳定元素，使得该合金的强度更高，而具有优异的淬透性能，使得TC10钛合金的应用范围更加广泛，在航天领域、海洋领域，石油工程等领域均有大量应用，故对TC10钛合金的力学性能要求愈加严格，即强度和塑性均要达到良好的匹配。
TC10钛合金的强化方式主要为热加工强化和热处理强化，其中热处理强化成本低，操作方便，是目前应用最广的方式。TC10钛合金热处理方式主要有：淬火处理、淬火时效、普通退火、双重退火、等温退火等。各种热处理工艺中，合金的强的和塑性匹配较难同时满足，当合金强度升高时，对应的塑性下降，当保留合金塑性时，合金强度下降，因此需要提出一种热处理工艺，使TC10钛合金经热处理后，强度和塑性能得到良好匹配。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，通过对TC10钛合金进行热处理，达到使TC10钛合金的强度和塑性良好匹配的目的。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、将电炉加热至940℃，保温20min后，将TC10钛合金放入电炉中，保温1～2h；
步骤二、，将电炉温度降至800℃～850℃，保温1.5～2h后，将电炉中TC10钛合金取出立即水冷；
步骤三、将电炉重新加热至560℃，保温20min后，将步骤二中水冷后的TC10钛合金放入电炉中，保温4～6h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
优选地，步骤一电炉加热的升温速率为20℃/min。
优选地，步骤二电炉降温速率为15℃/min～20℃/min。
优选地，步骤三所述电炉加热的升温速率为20℃/min。
优选地，所述TC10钛合金按照重量百分比含量含有：Al：5.6％～5.85％；V：5.5％～5.7％；Sn：2.2％～2.4％；Fe：0.6％～0.7％；Cu：0.55％～0.7％；O：0.16％～0.18％；C：0～0.05％；N：0～0.04％；H：0～0.0015％；Ti余量。
优选地，所述TC10钛合金为锻造后，具备双态组织的TC10钛合金。
优选地，步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出水冷过程中，从电炉门打开到TC10钛合金入水的时间≤2s。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过对热处理加热温度、保温时间及冷却方式的选择，改变TC10钛合金的微观组织，使TC10钛合金的微观组织为条状α相和等轴状α相构成的混合组织，在β基体上分布的α相形貌以条状为主，无明显方向性，条状α相长短不同，有锯齿状形貌，长度范围为7.11μm～66.3μm，宽度范围为1.6μm～4.61μm，含量约为32％，同时，在β基体上分布一定量等轴状α相，其含量约为5％，这种包含大量条状α相和一定量等轴状α相的混合组织，会同时提高TC10钛合金强度与塑性，即TC10钛合金强度与塑性有良好匹配性，在抗拉强度≥1300MPa的同时，断后延伸率≥10％。
附图说明
图1为锻造完成后的具备双态组织的TC10钛合金金相图；
图2本发明热处理工艺示意图；
图3为实施例1的TC10钛合金金相图；
图4为实施例2的TC10钛合金金相图；
图5为实施例3的TC10钛合金金相图；
图6为实施例4的TC10钛合金金相图；
图7为对比例1的TC10钛合金金相图；
图8为对比例2的TC10钛合金金相图；
图9为对比例3的TC10钛合金金相图；
图10为对比例4的TC10钛合金金相图；
图11为对比例5的TC10钛合金金相图。
具体实施例
以下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。
需要说明的是，本发明实施例采用的TC10钛合金为经锻造后，具备双态组织的TC10钛合金，其化学成分按照重量百分比为Al:5.7％；V:5.5％；Sn:2.3；Fe:0.7％；Cu:0.6％；O：0.17；C：0.03％；N：0.02％；H：0.001％；Ti余量，其显微组织形貌如图1所示，其中α相形态有两种，一种为初生α相，在基体上均匀分布的，另一种为次生α相，主要在β转变组织中，原始锻态微观组织由初生α相和β转变组织(细条次生α相，次生α相之间黑色底为残余β)组成。
实施例1
一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、以20℃/min的升温速率将电炉加热至940℃，并保温20min，使电炉温度稳定，随后放入TC10钛合金，保温1h；
步骤二、按照步骤一所述温度和时间进行保温后，以15℃/min的降温速率将电炉温度降至850℃，使TC10钛合金随炉冷却至850℃，保温1.5h后，将TC10钛合金从电炉中取出立即水冷；
步骤三、以20℃/min的升温速率将电炉重新加热至560℃，保温20min，使电炉温度稳定，随后将步骤二中水冷后的TC10钛合金表面处理干，放入电炉内，保温4h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
实施例2
一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、以20℃/min的升温速率将电炉加热至940℃，并保温20min，使电炉温度稳定，随后放入TC10钛合金，保温2h；
步骤二、按照步骤一所述温度和时间进行保温后，以20℃/min的降温速率将电炉温度降至800℃，使TC10钛合金随炉冷却至800℃，保温2h后，将TC10钛合金从电炉中取出立即水冷；
步骤三、以20℃/min的升温速率将电炉重新加热至560℃，保温20min，使电炉温度稳定，随后将步骤二中水冷后的TC10钛合金表面处理干，放入电炉内，保温6h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
实施例3
一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、以20℃/min的升温速率将电炉加热至940℃，并保温20min，使电炉温度稳定，随后放入TC10钛合金，保温1.2h；
步骤二、按照步骤一所述温度和时间进行保温后，以17℃/min的降温速率将电炉温度降至820℃，使TC10钛合金随炉冷却至820℃，保温1.9h后，将TC10钛合金从电炉中取出立即水冷；
步骤三、以20℃/min的升温速率将电炉重新加热至560℃，保温20min，使电炉温度稳定，随后将步骤二中水冷后的TC10钛合金表面处理干，放入电炉内，保温5h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
实施例4
一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、以20℃/min的升温速率将电炉加热至940℃，并保温20min，使电炉温度稳定，随后放入TC10钛合金，保温1.8h；
步骤二、按照步骤一所述温度和时间进行保温后，以15℃/min的降温速率将电炉温度降至840℃，使TC10钛合金随炉冷却至840℃，保温1.8h后，将TC10钛合金从电炉中取出立即水冷；
步骤三、以20℃/min的升温速率将电炉重新加热至560℃，保温20min，使电炉温度稳定，随后将步骤二中水冷后的TC10钛合金表面处理干，放入电炉内，保温5.5h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
以上实施例，步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出立即水冷的过程中，从电炉门打开到TC10钛合金入水的时间均≤2s。
对比例1
步骤一中将电炉加热至920℃，其他同实施例1。
对比例2
步骤一中将电炉加热至960℃，其他同实施例1。
对比例3
步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出立即空冷，其他同实施例3。
对比例4
步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出立即空冷，其他同实施例2。
对比例5
步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出立即空冷，其他同实施例1。
1、TC10钛合金金相图
对比例1～5得到的TC10钛合金金相图分别如图7～11所示，图7～11可知，对比例1，金相组织中条状α相含量较少，而等轴状α相含量较多；对比例2，金相组织中以条状α相为主，等轴状α相消失；对比例3金相组织中以条状状α相为主，含有极少量等轴α相，对比例4金相组织中以条状α相为主，条状α相对宽度较宽，含有极少量等轴状α相；对比例5金相组织中以条状α相为主，等轴状α相几乎消失；实施例1～4得到的TC10钛合金金相图分别如图3～6所示，从图3～6可以看出本发明制备的TC10钛合金金相组织为条状α相和等轴状α相构成的混合组织，在β基体上分布的α相形貌以条状为主，条状α相含量约为32％，无明显方向性，长短不同，部分有锯齿状形貌，长度范围为7.11μm～66.3μm，宽度范围为1.6μm～4.61μm，同时，在β基体上分布一定量等轴状α相，其含量约为5％，这种包含大量条状α相和一定量等轴状α相的混合组织，会同时提高TC10钛合金强度与塑性。
2、性能测试
实施例1～4、对比例1～5得到的TC10钛合金的力学性测试结果如表1所示：
表1 TC10钛合金力学性能
从表1可以看出，实施例1～4制备的TC10钛合金强度与塑性的匹配性优于对比例，在抗拉强度≥1300MPa的同时，断后延伸率≥10％。
综上，本发明提供一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，采用经锻造后具备双态组织的TC10钛合金，首先在该合金相变点温度940℃进行加热并保温1h～2h，之后随炉冷却到800℃～850℃并进行保温1.5h～2h，随后立即进行水冷，再将合金加热至560℃，并保温4h～6h，随后将合金取出进行室温冷却，此时合金组织为条状α相和等轴状α相构成的混合组织，经拉伸测试后，合金抗拉强度≥1300MPa的同时，断后延伸率≥10％，即合金同时具备较高的抗拉强度与延伸率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将电炉加热至940℃，保温20min后，将TC10钛合金放入电炉中，保温1～2h；
步骤二、，将电炉温度降至800℃～850℃，保温1.5～2h后，将电炉中TC10钛合金取出立即水冷；
步骤三、将电炉重新加热至560℃，保温20min后，将步骤二中水冷后的TC10钛合金放入电炉中，保温4～6h后，将TC10钛合金取出进行室温冷却。
2.根据权利要求1所述提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，步骤一电炉加热的升温速率为20℃/min。
3.根据权利要求1所述提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，步骤二电炉降温速率为15℃/min～20℃/min。
4.根据权利要求1所述提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，步骤三所述电炉加热的升温速率为20℃/min。
5.根据权利要求1所述提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，所述TC10钛合金按照重量百分比含量含有：Al：5.6％～5.85％；V：5.5％～5.7％；Sn：2.2％～2.4％；Fe：0.6％～0.7％；Cu：0.55％～0.7％；O：0.16％～0.18％；C：0～0.05％；N：0～0.04％；H：0～0.0015％；Ti余量。
6.根据权利要求1所述的一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法，其特征在于，所述TC10钛合金为锻造后，具备双态组织的TC10钛合金。
7.根据权利要求1所述的一种提高TC10钛合金强度与塑性相匹配的热处理方法中，其特征在于，步骤二中将TC10钛合金从电炉中取出水冷过程中，从电炉门打开到TC10钛合金入水的时间≤2s。
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