獲得具有筏狀初生α相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法
2023-05-25 09:55:31 2
專利名稱：獲得具有筏狀初生α相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦合金熱處理方法，更特別地說，是指一種獲得具有筏狀初生" 相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法。該雙態熱處理方法可應用於調整、改善和提 高鑄造、軋制、鍛造、焊接和雷射快速成形等方法製造的近"及"+ "鈦合金零件的 性能。
背景技術：
鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能優異等突出特 點，在先進飛機、高推重比航空發動機、飛船、衛星、運載火箭，船舶等國防裝備中 被廣泛用作具有決定性影響的關鍵結構件。鈦合金用量的高低已成為衡量飛機、發動 機等許多國防裝備先進性的重要標誌之一。大力加強和加速鈦合金的研究、生產和應 用已是增強我國國防實力的重要舉措之一。當前相對-鈦合金，近a及"+ "鈦合金 的研究和應用更為廣泛。
近《及"+ / 鈦合金根據其成形和熱處理工藝不同可獲得魏氏組織、網籃狀組織、 雙態組織和等軸晶組織等四種典型的組織形態，分別參見圖4A、圖4B、圖4C、圖 4D所示。
魏氏組織的特點是具有粗大的原始晶粒，原始-晶粒邊界清晰完整，晶界a非常 明顯，晶內"相呈粗片狀規則排列。通常魏氏組織的拉伸塑性和疲勞性能低，但疲勞 裂紋擴展速率及高溫蠕變性能好。
網籃狀組織的特點是原始/ 晶粒邊界不同程度地被破碎，晶界"已經不明顯，晶 內片狀結構"變短，在原始"晶粒的輪廓內呈網籃狀編織的片狀結構。網籃狀組織的 拉伸塑性比魏氏組織要稍好一些，網籃組織的疲勞性能高於魏氏組織，伹斷裂韌性低 於魏氏組織。
等軸組織的特點是在等軸初生"基體上，存在一定數量的p轉變組織。等軸組織 具有最好的拉伸塑性和疲勞強度，伹持久強度、高溫蠕變、斷裂韌性不如網籃組織和 魏氏組織。雙態組織的特點是在層狀/ 轉變組織的基礎上，分布著一定數量互不連接的初生
"等軸顆粒， 一般初生"含量不超過50。/。。細小的組織可以提高合金的強度和塑性， 還可以延緩裂紋的形核，同時也是超塑性形成的必要條件。另一方面，粗大的組織抵 抗蠕變和疲勞裂紋擴展的能力更強。層狀組織具有高的斷裂韌性、優異的抗蠕變性能 和抗疲勞裂紋擴展性能，而等軸狀組織往往具有高的塑性和疲勞強度，並易於超塑性 變形。由於雙態組織綜合了層狀和等軸狀組織的優點，因此雙態組織具有優良的綜合 性能，即較好的拉伸塑性、疲勞強度和微裂紋擴展抗力。 發明內 容
本發明的目的是提出 一種獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處 理方法，該雙態熱處理方法可應用於鑄造、軋制、鍛造、焊接和雷射快速成形等方法 製造的近"及a+p鈦合金零件的最終熱處理。本發明公布的由5~45%體積分數的
"筏狀"初生"相與層片狀/ 轉變組織組成的雙態組織，由於"筏狀"初生"相比等 軸狀初生"相具有更細小的尺寸、更低的"// 界面能和更高的比表面積，無論"筏 狀"初生"相垂直或平行於裂紋擴展方向，疲勞裂紋都需要繞行更長距離，因此具有
"筏狀"初生"相的雙態組織可望比普通雙態組織具有更高的高溫抗蠕變性能和抗疲
勞裂紋擴展能力。有研究表明粗大層片狀組織的斷裂韌性要高於細小的等軸狀組織，
因此具有"筏狀"初生"相的雙態組織可望比普通雙態組織具有更高的斷裂韌性。
本發明的一種獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，先在 鈦合金P轉變溫度&以下5 45。C進行10 60min高溫熱處理，並根據零件截面
厚度選擇空冷、風冷、噴水冷卻等方式冷卻至室溫，再在650 85(TC根據截面厚度 選擇對應溫度進行2 4h低溫退火熱處理，獲得由5~45%體積分數筏狀初生"相 與層片狀/ 轉變組織組成的雙態組織。
本發明的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，可應用於 鑄造、軋制、鍛造、焊接和雷射快速成形等方法製造的近"及"+ "鈦合金零件的最 終熱處理。
圖1為本發明獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理工藝簡示圖。 圖2為採用本發明熱處理工藝對TA15鈦合金處理後的具有"筏狀"初生"相的雙 態組織掃描照片。
圖3為本發明進行/ 退火熱處理工藝簡示圖。 圖4A為近"及a + Z 鈦合金魏氏組織掃描照片。圖4B為近"及a + Z 鈦合金網籃狀組織掃描照片。 圖4C為近"及"+ "鈦合金雙態組織掃描照片。 圖4D為近a及"+ Z 鈦合金等軸晶組織掃描照片。
圖5為TA15鈦合金軋制零件的具有"筏狀"初生"相的雙態組織金相照片。 圖6為TA15鈦合金鍛造零件的具有"筏狀"初生"相的雙態組織金相照片。
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
本發明的一種獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，充分 利用了鈦合金在層狀P轉變組織上的P轉變溫度(記為7>)作為高溫熱處理，以及"退 火熱處理的處理溫度。本文以及附圖中&一(5 ~ 45°C)是指在鈦合金-轉變溫度7>以下 5 45"的溫度。7^(10 30。C)是指在鈦合金〃轉變溫度7)以上10 3CTC的溫度。
本發明的一種獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，先在 溫度7V(5 45。C)進行10 60min高溫熱處理，並根據零件截面厚度選擇空冷、風
冷、噴水冷卻等方式冷卻至室溫，再在650 85(TC根據截面厚度選擇對應溫度進行 2 4h低溫退火熱處理，獲得由5 45%體積分數筏狀初生"相與層片狀"轉變組 織組成的雙態組織。所述溫度 V(5 ~ 45°C)的髙溫熱處理與所述650 85(TC低溫退
火熱處理稱為雙態熱處理。本發明要求的雙態熱處理是對鈦合金零件的原始組織具有
層片狀或網藍狀組織進行的，若鈦合金零件原始組織不是層片狀或網藍狀組織的，須 預先對鈦合金在溫度7;+(10 30。C)進行20 60min的/ 退火熱處理，從而獲得層
片狀或網藍狀組織。本發明的雙態熱處理方法對於鈦合金零件原始組織不是層片狀或
網藍狀組織的可分為以下三個步驟原始組織判斷與預處理、高溫熱處理和低溫退火
熱處理。
(一)原始組織判斷與預處理
對近"及"+ Z 鈦合金熱處理方法，為了獲得具有"筏狀"初生"相的雙態組織，
在進行雙態熱處理前，要求鈦合金零件原始組織為層片狀或網藍狀組織。對於鈦合金 零件原始組織不是層片狀或網藍狀組織的，須預先對其在-轉變溫度7;以上10
3(TC進行20 60min的/ 退火熱處理獲得層片狀或網藍狀組織。-退火熱處理工藝如圖3所示，在〃退火熱處理中當零件截面厚度小於或等於 15ww時，保溫時間不超過30min;零件厚度大於15ww時保溫時間為30 60min; 〃退火熱處理的冷卻方式可採用空冷或風冷。
(二) 高溫熱處理
對近"及a + Z 鈦合金進行高溫熱處理方法(如圖1所示)，首先是在鈦合金/ 轉 變溫度7>以下5 45。C進行10 60min高溫熱處理。初生"相體積分數取決於在 鈦合金-轉變溫度^以下5 45。C範圍內熱處理溫度的髙低，溫度越高，初生a相
數量越少。高溫熱處理保溫時間取決於零件截面厚度，零件截面厚度小於等於15m附 時，保溫時間不超過25min;零件截面厚度為16 50 w附時保溫時間為25~ 45min;零件厚度大於50wm時保溫時間為45 60min。
經高溫熱處理後的冷卻方式根據零件截面厚度大小選擇，零件截面厚度小於等於 15w附時，採用空冷冷卻方式；零件截面厚度為16 25附m時，釆用風冷冷卻方式； 零件截面厚度大於25/wn時，採用噴水冷卻方式，噴水冷卻時間不能超過5min，且 當零件溫度降至約70CTC時，停止風冷或噴水，讓零件空冷至室溫。
(三) 低溫退火熱處理 對經高溫熱處理—冷卻後的鈦合金進行再在650 85(TC根據截面厚度選擇對
應溫度進行2 4h低溫退火熱處理，獲得由5 45%體積分數後狀初生"相與層片 狀"轉變組織組成的雙態組織(如圖l所示)。鈦合金零件截面厚度決定低溫退火熱 處理溫度，零件截面厚度小於等於15mm時，低溫退火熱處理溫度為650 750。C; 零件厚度大於15ww時，低溫退火熱處理溫度為750 850°C，低溫退火熱處理時 間為2 4h,冷卻方式為空冷。
近"及a + "鈦合金經本發明的高溫熱處理—冷卻—低溫退火熱處理後，獲得組 織是由5 45%體積分數的"筏狀"初生"相與層片狀;9轉變組織組成的雙態組織， 其初生"相具有"筏狀"生長形態或不規則長條狀。該熱處理方法可應用於鑄造、軋 制、鍛造、焊接和雷射快速成形等方法製造的近"及"+ Z 鈦合金零件的最終熱處理。
選取TA15近"鈦合金的軋制零件、雷射快速成形零件和鍛造零件分別進行獲得 具有"筏狀"初生"相的雙態組織熱處理，並對雷射快速成形TA15鈦合金的普通低 溫退火熱處理態和獲得具有"筏狀"初生"相的雙態組織熱處理態的衝擊韌性、斷裂 韌性和疲勞裂紋擴展速率進行測試比較。(一) TA15鈦合金軋制零件獲得具有"筏狀"初生"相的雙態組織熱處理 TA15鈦合金零件原始組織為普通雙態組織，軋制零件截面厚度為6附m，其熱
處理過程是首先將TA15鈦合金軋制零件在鈦合金P轉變溫度T^以上2(TC進行y5 退火熱處理，保溫25min後空冷；然後將TA15鈦合金在鈦合金-轉變溫度7;以下 25X:溫度下軋製成零件，並保溫20min後空冷至室溫；再在70(TC低溫退火熱處理 2h空冷。熱處理後採用線切割方法截取的小塊試樣，經60# 2000#水磨砂紙打磨， 並在絨布上用Fe203、 (^203和H20的混合液拋光；釆用Kroll腐蝕劑即體積比為 1:6:7的HF-HN03-H20溶液腐蝕金相試樣，時間為l~4s，用BX51M OLYMPUS 光學金相顯微鏡和JSM-5800型掃描電鏡上進行組織分析，可以觀察到如圖5所示 的由"筏狀"初生"相與層片狀"轉變組織組成的雙態組織。
(二) 雷射快速成形TA15鈦合金零件獲得具有"筏狀"初生a相的雙態組織熱 處理
雷射快速成形TA15鈦合金零件原始組織為細小的網籃組織，零件的截面厚度為 27附m，其熱處理過程是在鈦合金/ 轉變溫度7;以下25t:雷射快速成形TA15鈦
合金，保溫35min後噴水冷卻，噴水冷卻時間為lmin，之後讓零件空冷至室溫； 然後在76CTC低溫退火熱處理2h空冷。熱處理後釆用線切割方法截取的小塊試樣， 經60#~2000#水磨砂紙打磨，並在絨布上用Fe203、 <^203和H20的混合液拋光； 採用Kroll腐蝕劑即體積比為1:6:7的HF-HN03-H20溶液腐蝕金相試樣，時間為 l 4s，用BX51M OLYMPUS光學金相顯微鏡和JSM-5800型掃描電鏡上進行組 織分析，可以觀察到如圖2所示的由"筏狀"初生"相與層片狀"轉變組織組成的 雙態組織。
(三) TA15鈦合金鍛造零件獲得具有"筏狀"初生a相的雙態組織熱處理
TA15鈦合金鍛造零件原始組織為普通雙態組織，截面厚度為70附m ，其熱處理 過程是首先將TA15鈦合金在鈦合金"轉變溫度7)以上2CTC"退火熱處理，保溫 50min後風冷；然後在TA15鈦合金鍛造零件鈦合金"轉變溫度7;以下25°C，保溫 50mm後噴水，噴水冷卻時間為2min，之後讓零件空冷至室溫；再在78CTC低溫 退火熱處理3h空冷。熱處理後採用線切割方法截取的小塊試樣，經60# 2000# 水磨砂紙打磨，並在絨布上用Fe203、 &203和1120的混合液拋光；採用Kroll腐蝕劑即體積比為1:6:7的HF-HNCVH20溶液腐蝕金相試樣，時間為1 4s，用BX51M OLYMPUS光學金相顯微鏡和JSM-5800型掃描電鏡上進行組織分析，可以觀察到 如圖6所示的由"筏狀"初生"相與層片狀"轉變組織組成的雙態組織。
雷射快速成形TA15鈦合金的衝擊韌性測試試樣尺寸為55X 10X 10mm的條狀 試樣，兩種熱處理狀態各測試5個試樣，測試結果如表1所示，通過雙態熱處理， 雷射快速成形TA15鈦合金的衝擊韌性值大幅提高，由原來的30J/cmn曾加到 48JW，提髙了0.6倍。 表l雷射快速成形TA15鈦合金衝擊韌性
熱處理狀態普通退火雙態熱處理
aKU, J/cm229.548.1
雷射快速成形TA15鈦合金的斷裂韌性測試試樣尺寸為50 X 48 X 20mm的塊狀 試樣，兩種熱處理狀態各測試3個試樣，測試結果如表2所示，通過雙態熱處理， 雷射快速成形TA15鈦合金的斷裂韌性值大幅提高，由原來的50 MP^m^增加到 78 MPa'm1/2，提高了 0.6倍。 表2雷射快速成形TA15鈦合金斷裂韌性
熱處理狀態普通退火雙態熱處理
Klc， MPa m1/250.277.6
雷射快速成形TA15鈦合金的疲勞裂紋擴展速率試樣尺寸為62.5X60X 10mm 的塊狀試樣，通過雙態熱處理，雷射快速成形TA15鈦合金的疲勞裂紋擴展速率降低
一個數量級。
本發明是獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，是通過對 近"及"+ "鈦合金進行雙態熱處理，獲得由5 45%體積分數的"筏狀"初生a相
與層片狀々轉變組織組成的雙態組織。該熱處理方法可應用於鑄造、軋制、鍛造、焊 接和雷射快速成形等方法製造的近"及"+ "鈦合金零件的最終熱處理。
權利要求
1、一種獲得具有筏狀初生α相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，其特徵在於先在鈦合金β轉變溫度Tβ以下5～45℃進行10～60min高溫熱處理，並根據零件截面厚度選擇空冷、風冷、噴水冷卻等方式冷卻至室溫，再在650～850℃根據截面厚度選擇對應溫度進行2～4h低溫退火熱處理，獲得由5～45％體積分數筏狀初生α相與層片狀β轉變組織組成的雙態組織。
2、 一種獲得具有筏狀初生a相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，其特徵在於 在進行雙態熱處理前，要求鈦合金零件的原始組織為層片狀或網藍狀組織，對於 鈦合金零件原始組織不是層片狀或網藍狀組織的，須預先對鈦合金在々轉變溫度 7>以上10 30。C進行20 60min的-退火熱處理，從而獲得層片狀或網藍狀組織。
3、 根據權利要求2所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理 方法，其特徵在於在"退火熱處理中當零件截面厚度小於或等於15mm時，保 溫時間不超過30min;零件厚度大於15ww時保溫時間為30 60min; -退火 熱處理的冷卻方式可採用空冷或風冷。
4、 根據^C利要求1或2所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處 理方法，其特徵在於在鈦合金/ 轉變溫度7>以下5 45。C溫度內的高溫熱處理，當零件截面厚度小於等於15mm時，保溫時間不超過25min;零件截面厚度為 16 50mw時保溫時間為25 45min;零件厚度大於50wm時保溫時間為45~ 60min。
5、 根據權利要求1或2所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處 理方法，其特徵在於根據零件截面厚度大小選擇高溫熱處理冷卻方式，零件截 面厚度小於等於15mm時，採用空冷冷卻方式；零件截面厚度為16 25附m時， 釆用風冷冷卻方式；零件截面厚度大於25mm時，採用噴水冷卻方式，噴水冷卻 時間不能超過5min，且當零件溫度降至約70(TC時，停止風冷或噴水，讓零件 空冷至室溫。
6、 根據權利要求1所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理 方法，其特徵在於在低溫退火熱處理中，鈦合金零件截面厚度決定低溫退火熱 處理溫度，零件截面厚度小於等於15mm時，低溫退火熱處理溫度為650~ 750°C;零件厚度大於15wm時，低溫退火熱處理溫度為750 850°C，低溫退 火熱處理時間為2 4h，冷卻方式為空冷。
7、 根據權利要求1所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理 方法，其特徵在於:獲得組織是由5 45%體積分數的筏狀初生"相與層片狀^轉變組織組成的雙態組織，其初生"相具有筏狀生長形態或不規則長條狀，其體積 分數取決於在鈦合金"轉變溫度^以下5 45'C熱處理溫度的高低，溫度越高，初生"相數量越少。
8、 根據權利要求1所述的獲得具有筏狀初生"相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理 方法，其特徵在於該熱處理方法可應用於鑄造、軋制、鍛造、焊接和雷射快速 成形等方法製造的近"及"+ "鈦合金零件的最終熱處理。
全文摘要
本發明公開了一種獲得具有筏狀初生α相的雙態組織的雙相鈦合金熱處理方法，先在鈦合金β轉變溫度Tβ以下5～45℃進行10～60min高溫熱處理，並根據零件截面厚度選擇空冷、風冷、噴水冷卻等方式冷卻至室溫，再在650～850℃根據截面厚度選擇對應溫度進行2～4h低溫退火熱處理，獲得由5～45％體積分數筏狀初生α相與層片狀β轉變組織組成的雙態組織。該熱處理方法可應用於鑄造、軋制、鍛造、焊接和雷射快速成形等方法製造的近α及α+β鈦合金零件的最終熱處理。
文檔編號C22F1/18GK101429637SQ20081022788
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者張凌雲, 張述泉, 方豔麗, 安 李, 鵬 李, 湯海波, 王華明 申請人:北京航空航天大學