一種通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法

2023-06-14 16:03:21 2

專利名稱：一種通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法
技術領域：
本發明涉及鈦合金熱加工技術領域，具體是一種在等軸組織或雙態組織的近α鈦合金中使用爐冷獲得三態組織的熱處理方法。
背景技術：
近α鈦合金具有比α+β類鈦合金更好的熱穩定性和焊接性，比α鈦合金更好的壓力加工性能，通常在航空、航天等領域應用於關鍵的承力結構件。這些構件服役環境惡劣，不但要求高精度，更要求高性能和高可靠性，也就是說，既要求好的室溫強度塑性、斷裂韌性、疲勞性能、抗裂紋擴展能力和又要求好的高溫性能。鈦合金微觀組織決定了服役性能。等軸組織和片層組織是近α鈦合金的兩種典型組織，這兩種組織在塑性、熱穩定性、高溫性能、抗疲勞裂紋擴展能力和斷裂韌性上各有優缺點，各性能的合理匹配始終沒有很好解決。周義剛等人在《近β鍛造推翻陳舊理論發展了三態組織》中提出了由20%等軸α、50% 60%條狀α和β轉變基體組成的三態組織。三態組織綜合了上述兩種組織的優點，不僅具有好的塑性，同時具有高的熱強性和斷裂韌性，綜合性能優於其它類型的組織。因此，獲得具有三態組織的近α鈦合金零構件常常是生產中追求的目標。而周義剛等人獲得三態組織的近β鍛造技術必須在β轉變點以下10 20°C進行等溫鍛造，鍛造時鍛坯因為不均勻變形，不同部位金屬流動速率不同，導致不均勻的變形熱效應，又因為鍛坯與模具、模具與外界始終存在熱傳導，使得鍛件溫度變化更加複雜，所以鍛造過程對溫度的控制非常困難，很容易導致鍛坯局部溫度超出或低於近β溫度的範圍。因此，該技術存在鍛造溫度區間較窄，不易於溫度控制的問題。哈爾濱工業大學在已授權的公告號為CN10171790 4的發明專利中提出了一種通過兩個步驟獲得三態組織的熱處理方法:第一步將初始組織為雙態組織的鈦合金加熱到低於β轉變點10 30°C的溫度範圍內保溫一定時間後水冷，第二步加熱到低於β轉變點40 60°C的溫度範圍內保溫一定時間後空冷，獲得三態組織。該專利中要求初始組織為雙態組織，但是用於成形近α鈦合金零件的原始棒材、板材或鍛坯一般為等軸組織，為了獲得雙態組織還需要對等軸組織進行專門的預處理。西北工業大學在公開號為CN 102212745Α的發明專利申請中提出了一種在鈦合金局部加載成形中獲得三態組織的方法。該方法中，鈦合金經過局部加載成形、精整和熱處理後獲得成形鍛件，通過控制局部加載成形的參數獲得三態組織。但在該發明中，仍然需要經過低於β轉變點10 20°C的近β鍛造，而近β鍛造的溫度區間較窄，不易於溫度控制。西北工業大學在申請號為201210273814.3和201210273312.0的發明專利申請中提出了在等軸組織鈦合金中獲得三態組織的熱處理方法，在該方法中不需要近β熱變形，溫度易於控制且對等軸組織鈦合金可直接使用，但這兩個專利對三態組織中的次生片狀α的厚度的調節的靈活度不夠高，其獲得三態組織中的次生片狀α的厚度偏小，對於那些需要更大厚度次生片狀α的零構件來說，可能出現組織不達標的問題。西北工業大學在申請號為CN201210273255.6和CN201210273254.1的發明專利申請中提出了 α+β兩相區鍛造加上後續熱處理獲得三態組織的方法，在該方法中，鍛造屬於常規鍛造，鍛造溫度區間比近β鍛造範圍更寬，溫度更易控制，且加熱溫度更低，避免了高溫多火次加載晶粒易粗化的問題，但這兩個專利對於那些形狀已經確定不能夠再變形的零構件來說已經無法使用。

發明內容
為克服現有技術中存在的溫度區間較窄，不便於控制鍛造溫度的問題，以及對初始組織為雙態組織的限制的不足，以及所獲三態組織中次生片狀α的厚度偏小的問題，本發明提出了一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法。本發明的具體步驟是:步驟一,近β溫度保溫水冷。將電阻爐加熱至近α鈦合金的近β溫度，當電阻爐的溫度到達近α鈦合金的近β溫度後將試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至α鈦合金的近β溫度開始保溫，保溫時間為每Imm近α鈦合金試 樣截面等效圓直徑保溫0.6 4min。保溫結束後,在0.2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為a 馬氏體。所述近α鈦合金的近β溫度是低於β轉變點10 20°C的溫度範圍。步驟二，兩相區溫度保溫爐冷+空冷。將電阻爐加熱至近α鈦合金的兩相區溫度。當電阻爐升溫至近α鈦合金的兩相區溫度時開始保溫，保溫時間是在步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min。保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣隨爐冷卻。當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷到室溫，得到具有三態組織的鈦合金。所述近α鈦合金的兩相區溫度是低於β轉變點40 60°C的溫度範圍。本發明通過步驟一能夠在近α鈦合金組織中保留10% 20%的等軸初生α相，餘下的為馬氏體。步驟二的保溫過程使得在步驟一中得到的等軸初生α相基本保持原來的含量與形態，而在步驟一中得到的馬氏體分解為針片狀的α+β組織，並且一部分α針片發生了一定的粗化，α針片的數量一定程度減少。隨後爐冷，使得α片進一步粗化，由於片狀α對等軸α的增長起到阻礙作用，等軸α在爐冷過程中沒有明顯長大。當爐冷到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，在片狀α之間仍然存在一定量的高溫β相，之後空冷到室溫，這部分β相主要轉變成了 β轉變組織，最終形成了由等軸α、條片α和β轉變組織形成的三態組織近α鈦合金。本發明與現有技術相比具有以下優異效果:本發明的熱處理方法無需近β熱變形，不產生變形不均勻熱效應，溫度易於控制，對等軸組織近α鈦合金無需進行專門的預處理來獲得雙態組織，且最終獲得的三態組織中的次生片狀α的厚度相對較大；由於本發明的方法中使用了爐冷，因此次生片狀α的厚度值具有很大的調節範圍；本發明的熱處理方法簡便易行且使用範圍廣泛，適用於軋制、擠壓以及以機械加工成形等方法製造的近α鈦合金零件的熱處理，以至獲得三態組織。特別是對於鈦合金複雜構件、局部複雜構件或大型構件，就可以使用機械加工的方式加工出構件的近淨形態後通過本發明獲得三態組織。另外，根據需要可以在獲得三態組織後對鈦合金進行550 650°C溫度範圍內的時效處理。


附圖1是本發明的流程圖，
附圖2是β轉變點為990°C的近α鈦鈦合金原始等軸組織圖，附圖3是經過兩個步驟熱處理後的近α鈦合金三態組織圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種在近α鈦合金中使用爐冷獲得三態組織的方法，所用試樣為ΤΑ15鈦合金,試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ 10*15mm ;所述TA15鈦合金為T1-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15鈦合金的β轉變點為990°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為:步驟一,近β溫度保溫水冷。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的近β溫度，即低於β轉變點10 20°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為975°C，低於TA15鈦合金β溫度15°C。當電阻爐的溫度到達975°C後將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至975°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫0.6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，並且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為10mm，保溫時間為40min。保溫結束後，在0.2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫,使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫度保溫爐冷+空冷。將電阻爐加熱至Τ Α15鈦合金的兩相區溫度，即低於β轉變點40 60°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為940°C，低於TA15鈦合金β溫度50°C。當電阻爐到達940°C後，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至940°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為40min，增加30min，保溫時間為70min。保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣隨爐冷卻。當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷到室溫，本實施例中，是電阻爐冷卻到900°C，即低於鈦合金β溫度90°C時，取出試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。本實施例中，通過步驟一能夠在鈦合金組織中保留15%左右的等軸初生α相，餘下的為馬氏體。步驟二的保溫過程使得在步驟一中得到的等軸初生α相基本保持原來的含量與形態，而在步驟一中得到的馬氏體分解為針片狀的α+β組織，並且一部分α針片發生了一定的粗化，α針片的數量一定程度減少。隨後爐冷，使得α片進一步粗化，由於片狀α對等軸α的增長起到阻礙作用，等軸α在爐冷過程中沒有明顯長大。當爐冷到900°C時，在片狀α之間仍然存在一定量的高溫β相，之後空冷到室溫，這部分β相主要轉變成了 β轉變組織，最終形成了由等軸α、條片α和β轉變組織形成的三態組織鈦合金。由於本發明的方法中使用了爐冷，因此次生片狀α的厚度值具有很大的調節範圍。本實施例的熱處理方法流程見圖1，ΤΑ15鈦合金原始微觀組織見圖2，經過兩個步驟後得到的鈦合金的三態組織如圖3所示。實施例二
本實施例是一種在近α鈦合金中使用爐冷獲得三態組織的方法，所用試樣為ΤΑ15鈦合金，試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ210*300πιπι ;所述ΤΑ15鈦合金為T1-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15鈦合金的β轉變點為990°C，初始組織為雙態組織。本實施例的具體實施步驟為:步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的近β溫度，即低於β轉變點10 20°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為970°C，低於TA15鈦合金β溫度20°C。當電阻爐的溫度到達970°C後將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至970°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫0.6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，並且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑的依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為210mm，保溫時間為126min。保溫結束後，在0.2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為等軸α +馬氏體組織。步驟二，兩相區溫度保溫爐冷+空冷。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的兩相區溫度，即低於β轉變點40 60°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為950°C，低於TA15鈦合金β溫度40°C。當電阻爐到達950°C後，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至950°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為126min，增加60min，保溫時間為186min。保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣爐冷；當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷到室溫，本實施例中，是電阻爐冷卻到890°C，即低於鈦合金β溫度100°C時，取出試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。實施例三

本實施例是一種在近α鈦合金中使用爐冷獲得三態組織的方法，所用試樣為TAll鈦合金,試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ 15*25mm ;所述TAll鈦合金為T1-8Al-lMo-lV。TAll鈦合金的β轉變點為1040°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為:步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的近β溫度，即低於β轉變點10 20°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為1020°C，低於TC4鈦合金β溫度20°C。當電阻爐的溫度到達1020°C後將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至1020°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫0.6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，並且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為15mm，保溫時間為25min。保溫結束後，在0.2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫,使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫度保溫爐冷+空冷。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的兩相區溫度，即低於β轉變點40 60°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為980°C，低於TA15鈦合金β溫度60°C。當電阻爐到達980°C後，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至980°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為25min，增加60min，保溫時間為85min。保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣爐冷；當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷至IJ室溫，本實施例中，是電阻爐冷卻到920°C，即低於鈦合金β溫度120°C時，取出試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。實施例四本實施例是一種在近α鈦合金中使用爐冷獲得三態組織的方法，所用試樣為TAll鈦合金，試樣的外形為長方體，該試樣的規格為48*48*100mm ;所述TAll鈦合金為T1-8Al-lMo-lV。TAll鈦合金的β轉變點為1040°C，初始組織為雙態組織。本實施例的具體實施步驟為:步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的近β溫度，即低於β轉變點10 20°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為1030°C，低於TAll鈦合金β溫度10°C。當電阻爐的溫度到達1030°C後將試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至1030°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫0.6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，並且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為60mm,保溫時間為60min。保溫結束後,在0.2min內將試樣浸沒至水中,通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫 度保溫爐冷+空冷。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的兩相區溫度，即低於β轉變點40 60°C的溫度範圍，本實施例中，電阻爐溫度為980°C，低於TA15鈦合金β溫度60°C。當電阻爐到達980°C後，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至980°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為60min，增加50min，保溫時間為llOmin。保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣爐冷；當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷到室溫，本實施例中，是電阻爐冷卻到940°C，即低於鈦合金β溫度100°C時，取出試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。
權利要求
1.一種通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，其特徵在於，具體步驟為: 步驟一，近β溫度保溫水冷； 將電阻爐加熱至近α鈦合金的近β溫度，當電阻爐的溫度到達近α鈦合金的近β溫度後將試樣放入電阻爐中；電阻爐升溫至α鈦合金的近β溫度開始保溫，保溫時間為每Imm近α鈦合金試樣截面等效圓直徑保溫0.6 4min ;保溫結束後,在0.2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為α 馬氏體； 步驟二，兩相區溫度保溫爐冷+空冷； 將電阻爐加熱至近α鈦合金的兩相區溫度；當電阻爐升溫至近α鈦合金的兩相區溫度時開始保溫，保溫時間是在步驟一中保溫時間的基礎上增加30 60min ;保溫結束後使電阻爐停止加熱，使試樣隨爐冷卻；當電阻爐冷卻到低於β轉變點90 120°C的溫度範圍時，取出試樣空冷到室溫，得到具有三態組織的鈦合金。
2.如權利要求1所述通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，其特徵在於，步驟一中所述近α鈦合金的近β 溫度是低於β轉變點10 20°C的溫度範圍。
3.如權利要求1所述通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，其特徵在於，步驟二中所述近α鈦合金的兩相區溫度是低於β轉變點40 60°C的溫度範圍。
全文摘要
一種通過爐冷在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，通過近β溫度保溫水冷和兩相區溫度保溫爐冷+空冷，得到具有三態組織的近α鈦合金。通過近β溫度保溫水冷，能夠在鈦合金組織中保留10%～20%的等軸初生α相，餘下的為馬氏體。通過兩相區溫度保溫爐冷+空冷，最終形成了由等軸α、條片α和β轉變組織形成的三態組織鈦合金。本發明的熱處理方法無需近β熱變形，不產生變形不均勻熱效應，溫度易於控制，對等軸組織近α鈦合金無需進行專門的預處理來獲得雙態組織。本發明中的次生片狀α的厚度值具有很大的調節範圍，並具有簡便易行且使用範圍廣泛的特點，適用於軋制、擠壓以及以機械加工成形等方法製造的近α鈦合金零件的熱處理。
文檔編號C22F1/18GK103205662SQ201310014508
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者孫志超, 楊合, 郭雙雙, 馬超 申請人:西北工業大學