一种通过炉冷在双相钛合金中获得三态组织的方法

摘要

一种通过炉冷在钛合金中获得三态组织的方法，包括近β温度保温水冷、普通两相区保温炉冷和两相区内较低温保温空冷。通过近β温度保温水冷在钛合金组织中保留10%～20%的等轴初生α相，余下的为马氏体。通过普通两相区保温炉冷使试样组织改变为α等轴+α粗条片+β残留。通过两相区内较低温保温空冷得到具有三态组织的钛合金。本发明无需近β热变形，不产生变形不均匀热效应，易于控制温度，对钛合金的初始等轴组织无需进行专门的预处理变成双态组织。本发明简便易行且使用范围广泛，可广泛应用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造的钛合金零件的热处理，以至获得三态组织。

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金热加工技术领域，具体是一种在等轴组织或双态组织的双相钛 合金中通过炉冷获得三态组织的热处理方法。

背景技术

双相钛合金作为一种高性能的材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等 优点，在航空航天、石油化工、生物制药等领域占有重要的地位。尤其在航空中作为 关键的承力结构件，既要求好的室温强度塑性、断裂韧性、疲劳性能、抗裂纹扩展能 力和又要求好的高温性能。钛合金微观组织决定了其服役性能。双相钛合金具有等轴 组织、双态组织、魏氏组织、网篮组织和三态组织。前四种组织在塑性、高温性能、 抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧性上各有优缺点，各性能的合理匹配始终没有很好解决。 周义刚等人在《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》中提出了由20%等轴α、 50%～60%条状α和剩余的β转变组织组成的三态组织。三态组织综合了前四种组织的 优点，综合性能最佳。因此，获得具有三态组织的双相钛合金零构件常常是生产中追 求的目标。

而周义刚等人获得三态组织的近β锻造技术必须在β转变点以下10～20℃进行 等温锻造，锻造时锻坯因为不均匀变形，不同部位金属流动速率不同，导致不均匀的 变形热效应，又因为锻坯与模具、模具与外界始终存在热传导，使得锻件温度变化更 加复杂，所以锻造过程对温度的控制非常困难，很容易导致锻坯局部温度超出或低于 近β温度的范围。因此，该技术存在锻造温度区间较窄，不易于温度控制的问题。哈 尔滨工业大学在已授权的公告号为CN101717904的发明专利中提出了一种通过两个步 骤获得三态组织的热处理方法：第一步将初始组织为双态组织的钛合金加热到低于β 转变点10～30℃的温度范围内保温一定时间后水冷，第二步加热到低于β转变点 40～60℃的温度范围内保温一定时间后空冷，获得三态组织。该专利中要求初始组织为 双态组织，但是用于成形双相钛合金零件的原始棒材、板材或锻坯一般为等轴组织， 为了获得双态组织还需要对等轴组织进行专门的预处理。西北工业大学在公开号为CN 102212745A的发明专利申请中提出了一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的 方法。该方法中，钛合金经过局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控 制局部加载成形的参数获得三态组织。但在该发明中，仍然需要经过低于β转变点 10～20℃的近β锻造，而近β锻造的温度区间较窄，不易于温度控制。西北工业大学 在申请号为201210273814.3和201210273312.0的发明专利申请中提出了在等轴组织 钛合金中获得三态组织的热处理方法，在该方法中不需要近β热变形，温度易于控制 且对等轴组织钛合金可直接使用，但这两个专利对三态组织中的次生片状α的厚度的 调节的灵活度不够高，其获得三态组织中的次生片状α的厚度偏小，对于那些需要更 大厚度次生片状α的零构件来说，可能出现组织不达标的问题。西北工业大学在申请 号为CN201210273255.6和CN201210273254.1的发明专利申请中提出了α+β两相区锻 造加上后续热处理获得三态组织的方法，在该方法中，锻造属于常规锻造，锻造温度 区间比近β锻造范围更宽，温度更易控制，且加热温度更低，避免了高温多火次加载 晶粒易粗化的问题，但这两个专利对于那些形状已经确定不能够再变形的零构件来说 已经无法使用。

发明内容

为克服现有技术中存在的温度区间较窄，不便于控制锻造温度的问题，以及对初 始组织为双态组织的限制的不足，以及所获三态组织中次生片状α的厚度偏小的问题， 本发明提出了一种通过炉冷在双相钛合金中获得三态组织的方法。

本发明的具体步骤为：

步骤一，近β温度保温水冷。

将电阻炉加热至双相钛合金的近β温度。将试样放入电阻炉中。电阻炉升温至低 于双相钛合金β转变点10～20℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径 确定；所述钛合金试样截面等效圆直径每1mm保温0.6～4min。保温结束后，在0.2min 内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体。所述合金的近β温度是低于合金β转变点10～20℃温度范围。

步骤二，普通两相区保温炉冷。将电阻炉加热至低于钛合金的两相区温度。当电 阻炉到达低于钛合金的两相区温度后，将得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入 电阻炉中。当电阻炉升温至低于钛合金的两相区温度时开始保温，保温时间是步骤一 中保温时间的基础上增加30～60min。保温结束后，使电阻炉停止加热，将钛合金试样 炉冷到室温。使试样组织改变为α_等轴+α_粗条片+β_残留。所述低于合金的两相区温度是低于 β转变点40～60℃的温度范围。

步骤三，两相区内较低温保温空冷。将电阻炉加热至钛合金两相区内的较低温度。 当电阻炉的温度到达钛合金两相区内的较低温度后，将得到的组织为α_等轴+α_粗条片+β_残留的钛合金试样放入电阻炉中。电阻炉升温至钛合金两相区内的较低温度时开始保温， 保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。保温结束后，取出钛合金试样 空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金。所述合金两相区内的较低温度是低于β转 变点90～120℃的温度范围。

本发明通过步骤一能够在双相钛合金组织中保留10%～20%的等轴初生α相，余下 的为马氏体。步骤二的保温过程使得在步骤一中得到的等轴初生α相基本保持原来的 含量与形态，而在步骤一中得到的马氏体分解为针片状的α+β组织，并且一部分α 针片发生了一定的粗化，α针片的数量一定程度减少。随后炉冷，使得α片进一步粗 化，由于片状α对等轴α的增长起到阻碍作用，等轴α在炉冷过程中没有明显长大。 冷却到室温后，α相的片片之间仅存留很少的残留β相。通过步骤三的保温，α相向 β相转变一定的比例，使得在步骤二中得到的粗片α变细一些，但数量不变，α相之 间是β相。然后空冷，β相转变为β_转，整体组织形成了由等轴α、条片状α和β_转组成的三态组织双相钛合金。该三态组织均匀性非常好，且组织中的次生片状α的厚 度相对较大。本发明无需近β热变形，不产生变形不均匀热效应，易于控制温度，对 钛合金的初始等轴组织无需进行专门的预处理变成双态组织；本发明的热处理方法简 便易行且使用范围广泛，本发明可应用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造 的钛合金零件的热处理，以至获得三态组织。特别是对于钛合金复杂构件、局部复杂 构件或大型构件，就可以先用机械加工的方式加工出构件的近净形态，接着使用本发 明的热处理方法获得三态组织。另外，根据需要可以在获得三态组织后对钛合金进行 550～650℃温度范围内的时效处理。

附图说明

附图1是方法流程图，

附图2是β转变点为990℃的双相钛合金原始等轴组织图，

附图3是经过三个步骤热处理后的双相钛合金三态组织图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种通过炉冷获得三态组织钛合金的方法，所用试样为TA15钛合金， 试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ10*15mm；所述TA15钛合金为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。TA15钛合金的β转变点为990℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度保温水冷。

将电阻炉加热至TA15钛合金的近β温度，即低于β转变点10～20℃的温度范围。 本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TA15钛合金β温度15℃。当电阻炉的温度 到达975℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃开始保温，保温时间根据 钛合金试样截面等效圆直径确定；每1mm钛合金试样截面等效圆直径保温0.6～4min。 确定所述保温时间是依据HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保温时间标准，并 且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z199-2005中的厚度。所述确 定截面等效圆直径是依据GJB3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等 效圆直径为10mm，保温时间为40min。保温结束后，在0.2min内将试样浸没至水中， 通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变为α_等轴+马氏体。

步骤二，普通两相区保温炉冷。

将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低于β转变点40～60℃的温度范 围。本实施例中，电阻炉温度为950℃，低于TA15钛合金β温度40℃。当电阻炉的 温度到达950℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的钛合金试样放入电阻炉 中。当电阻炉升温至950℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加 30～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为40min，增加30min，保温时间为70min。 保温结束后，使电阻炉停止加热，将钛合金试样炉冷到室温。使试样组织改变为α_等轴+α_粗条片+β_残留。

步骤三，两相区内较低温保温空冷。

将电阻炉加热至TA15钛合金两相区内的较低温度，即低于β转变点90～120℃的 温度范围，本实施例中，电阻炉温度为900℃，低于TA15钛合金β温度90℃。当电阻 炉的温度到达900℃后，将经过步骤二得到的组织为α_等轴+α_粗条片+β_残留的钛合金试样放 入电阻炉中。当电阻炉升温至900℃开始保温，保温时间是步骤一中保温时间的基础 上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为40min，增加20min，保温时 间为60min。保温结束后，取出钛合金试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。

本实施例中，通过步骤一能够在钛合金组织中保留15%左右的等轴初生α相，余 下的为马氏体。步骤二的保温过程使得在步骤一中得到的等轴初生α相基本保持原来 的含量与形态，而在步骤一中得到的马氏体分解为针片状的α+β组织，并且一部分 α针片发生了一定的粗化，α针片的数量一定程度减少。随后炉冷，使得α片进一步 粗化，由于片状α对等轴α的增长起到阻碍作用，等轴α在炉冷过程中没有明显长大。 冷却到室温后，α相的片片之间仅存留很少的残留β相。通过步骤三的保温，α相向 β相转变一定的比例，使得在步骤二中得到的粗片α变细一些，但数量不变，α相之 间是β相。然后空冷，β相转变为β_转，整体组织形成了由等轴α、条片状α和β_转组成的三态组织钛合金。由于本发明的方法中使用了炉冷，因此次生片状α的厚度值 具有很大的调节范围，且该三态组织均匀性很好。

本实施例的热处理方法流程见图1，TA15钛合金原始微观组织见图2，经过经过 三个步骤后得到的钛合金的三态组织如图3所示。

实施例二

本实施例是一种通过炉冷获得三态组织钛合金的方法，所用试样为TA15钛合金， 试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ55*70mm；所述TA15钛合金为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。TA15钛合金的β转变点为990℃，初始组织为双态组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度保温水冷。将电阻炉加热至TA15钛合金的近β温度，即低于 β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为970℃，低于TA15钛合金 β温度20℃。当电阻炉的温度到达970℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至 970℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面 等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z199-2005上表格4 的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替 HB/Z199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径的依据GJB3763A-2004的附录A。 本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为55mm，保温时间为55min。保温结束后， 在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改 变为等轴α+马氏体组织。

步骤二，普通两相区保温炉冷。将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低 于β转变点40～60℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为940℃，低于TA15钛合 金β温度50℃。当电阻炉到达940℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的 钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至940℃开始保温，保温时间是步骤一中保 温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为55min，增加 45min，保温时间为100min。保温结束后，使电阻炉停止加热，将钛合金试样炉冷到 室温。使试样组织改变为α_等轴+α_粗条片+β_残留。

步骤三，两相区内较低温保温空冷。将电阻炉加热至TA15钛合金两相区内的较低 温度，即低于β转变点90～120℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为870℃，低 于TA15钛合金β温度120℃。当电阻炉的温度到达870℃后，将经过步骤二得到的组 织为α_等轴+α_粗条片+β_残留的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至870℃开始保温， 保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温 时间为55min，增加30min，保温时间为85min。保温结束后，取出钛合金试样空冷到 室温，达到具有三态组织的钛合金。

实施例三

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TC4钛合金，试样 的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ30*45mm；所述TC4钛合金为Ti-6Al-4V。TC4钛 合金的β转变点为985℃，初始组织为等轴组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度保温水冷。将电阻炉加热至TC4钛合金的近β温度，即低于 β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TC4钛合金 β温度10℃。当电阻炉的温度到达975℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至 975℃开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面 等效圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z199-2005上表格4 的前三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替 HB/Z199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径是依据GJB3763A-2004的附录A。 本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为30mm，保温时间为45min。保温结束后， 在0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改 变为α_等轴+马氏体。

步骤二，普通两相区保温炉冷。将电阻炉加热至TC4钛合金的两相区温度，即低 于β转变点40～60℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为925℃，低于TC4钛合 金β温度60℃。当电阻炉到达925℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的 钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至925℃开始保温，保温时间是步骤一中保 温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为45min，增加 30min，保温时间为75min。保温结束后，使电阻炉停止加热，将钛合金试样炉冷到室 温。使试样组织改变为α_等轴+α_粗条片+β_残留。

步骤三，两相区内较低温保温空冷。将电阻炉加热至TC4钛合金两相区内的较低 温度，即低于β转变点90～120℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为885℃，低 于TA15钛合金β温度100℃。当电阻炉的温度到达885℃后，将经过步骤二得到的组 织为α_等轴+α_粗条片+β_残留的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至885℃开始保温， 保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温 时间为45min，增加60min，保温时间为105min。保温结束后，取出钛合金试样空冷 到室温，达到具有三态组织的钛合金。

实施例四

本实施例是一种在钛合金中获得三态组织的方法，所用试样为TC4钛合金，试样 的外形为长方体，该试样的规格为168*168*300mm；所述TC4钛合金为Ti-6Al-4V。TC4 钛合金的β转变点为995℃，初始组织为双态组织。

本实施例的具体实施步骤为：

步骤一，近β温度保温水冷。将电阻炉加热至TC4钛合金的近β温度，即低于 β转变点10～20℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975℃，低于TC4钛合金 β温度20℃。当电阻炉的温度到达975℃后将试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975℃ 开始保温，保温时间根据钛合金试样截面等效圆直径确定；所述钛合金试样截面等效 圆直径每1mm保温0.6～4min。确定所述保温时间是依据HB/Z199-2005上表格4的前 三列所示的保温时间标准，并且本实施例中，以钛合金试样截面等效圆直径代替HB/Z 199-2005中的厚度。所述确定截面等效圆直径是依据GJB3763A-2004的附录A。本实 施例中，钛合金试样截面等效圆直径为210mm，保温时间为126min。保温结束后，在 0.2min内将试样浸没至水中，通过水冷的方式将该试样冷却至室温，使试样组织改变 为α_等轴+马氏体。

步骤二，普通两相区保温炉冷。将电阻炉加热至TC4钛合金的两相区温度，即低 于β转变点40～60℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为950℃，低于TC4钛合 金β温度45℃。当电阻炉到达950℃后，将经过步骤一得到的组织为α_等轴+马氏体的 钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至950℃开始保温，保温时间是步骤一中保 温时间的基础上增加30～60min。本实施例中，步骤1中的保温时间为126min，增加 60min，保温时间为186min。保温结束后，使电阻炉停止加热，将钛合金试样炉冷到 室温。使试样组织改变为α_等轴+α_粗条片+β_残留。

步骤三，两相区内较低温保温空冷。将电阻炉加热至TC4钛合金两相区内的较低 温度，即低于β转变点90～120℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为885℃，低 于TA15钛合金β温度110℃。当电阻炉的温度到达885℃后，将经过步骤二得到的组 织为α_等轴+α_粗条片+β_残留的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至885℃开始保温， 保温时间是步骤一中保温时间的基础上增加20～60min。本实施例中，步骤1中的保温 时间为126min，增加50min，保温时间为176min。保温结束后，取出钛合金试样空冷 到室温，达到具有三态组织的钛合金。