近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法

摘要

一种近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法，将电阻炉加热到钛合金相变点以下50～60℃，将具有混合组织的近α钛合金试样放入电阻炉内进行高温退火处理保温，所述保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸；保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火；重复上述退火过程，使等轴α含量增加5%到20%；所述退火过程为2～5次。本发明通过重复退火，以克服近α钛合金片状α两相区变形球化技术中存在过程复杂、成本高的不足，且适用于已成形构件和近α钛合金混合组织中片状α球化的构件。

说明书

技术领域

本发明涉及材料的热处理方法，具体是一种近α钛合金混合组织中片状α重复退火 球化方法。

背景技术

近α钛合金(如TA15)具有α型钛合金良好的热强性和可焊性以及接近于α+β型钛 合金的工艺塑性，通常在航空、航天等领域应用于关键的承力结构件。近α钛合金构 件室温下的稳定组织主要由等轴α、β_转组织和片状α中一种或几种组成，其力学性能 主要由等轴α和片状α的含量和形态决定。钛合金的塑性和疲劳强度取决于组织中等轴 α，而断裂韧性和高温蠕变性能则与片状α有关，研究发现近α钛合金由等轴α、β_转组 织和片状α构成的混合组织具有优异的综合性能。近α钛合金结构件一般通过加热锻造 的方式来成形，一方面钛合金锻造温度区间窄、合金的导热性差，另一方面，钛合金 在加热过程中存在α相向β相的转变，等轴α的含量对温度敏感，随着温度的上升等轴 α含量将不断减少。在近α钛合金热加工时常常由于温度控制不当或锻造过程中大的温 升效应而导致等轴α含量较预期偏少，甚至等轴α消失，从而使得构件的性能无法满足 要求。研究发现：对于钛合金可以通过组织中片状α的球化来调节等轴α的含量和分布 以满足所需的组织构成和性能要求。但钛合金在发生相变时体积膨胀率小，目前对于 钛合金中片状α的球化主要是通过两相区热变形的手段来实现的，并常用于坯料改锻 等环节。西北工业大学硕士学位论文《Ti-17片状组织球化规律》中研究了两相区变 形时片状α的球化规律，发现：片状α组织的球化程度与热变形工艺参数密切相关，只 有当变形程度较大且变形速率适中时才能获得较好的球化效果，但这种方法过程复杂、 成本较高，且对于已经通过锻造、特别是终锻成形了的构件，已具有了一定的形状， 将无法再次采用两相区变形的方法进行片状α的球化。因此，通过单纯热处理的方法 实现片状α球化以满足构件组织和性能要求成为一种解决上述问题的有效手段。

在公开号为CN102399954A的发明创造中公开了一种高碳珠光体钢变温处理快速 球化方法，该方法采用共析温度A1附近循环退火的方法使高碳钢渗碳体发生球化，在 加热及保温过程中碳化物断开，以点状弥散分布在基体上，在冷却过程中点状碳化物 球化长大，经多次A1附近循环退火后渗碳体基本球化。但在近α钛合金中片状α由于 界面能比钢中渗碳体的界面能低而更稳定，且在临界固溶温度附近循环热处理时相变 驱动力较小，因此组织中片状α不会发生断裂而球化，因此钢中碳化物在共析温度A1 附近循环退火的球化方法不适用近α钛合金中片状α的球化。

期刊《金属热处理》2013年第38卷第2期中文献《循环热处理温度对TC4钛合 金组织和力学性能的影响》中研究了高低温度循环热处理对全片层组织球化的影响规 律，发现经相变点以下20℃和固溶临界温度之间循环（空冷）9次后组织中等轴含量增加，在两相区之间不断的循环是α相和β相之间不断转 变的过程，由于α相和β相之间比容差不同，因此在循环过程中组织内会产生内应力 使部分片状α相分离发生球化。这种球化方法处理过程复杂，循环次数多且循环上限 温度接近相变点，对于混合组织的近α钛合金热处理温度接近相变点时α相含量迅速降 低，采用接近相变点的高低温热循环处理时混合组织中不仅片状α完全转变为β_转组织 还会导致组织中初生等轴α含量降低，因此TC4钛合金全片层组织的高低温循环热处 理方法不适用于近α钛合金混合组织中片状α的球化。

发明内容

为克服近α钛合金片状α两相区变形球化技术中存在过程复杂、成本高且不适用于 已成形构件和高低温循环热处理方法不适用于近α钛合金混合组织中片状α的球化的 不足，本发明提出一种近α钛合金混合组织中片状α的重复退火球化方法。

本发明的具体过程是：

将电阻炉加热到钛合金相变点以下50～60℃，将混合组织的近α钛合金试样放入 电阻炉内进行高温退火处理保温，所述保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试 样的最小外形尺寸；保温结束后将试样取出空冷，完成第一次退火；

重复上述退火过程，使等轴α含量增加5%到20%；所述退火过程为2～5次。

混合组织的近α钛合金试样在0.5min/mm×D时间内温度上升到相变点以下50～60 ℃过程中，组织中初生等轴α含量不变，组织中的片状α在相交接处首先发生溶解，片 状α被分割成短棒状，继续加热和保温过程中片状α转变为β相，在转变过程中α相继 续变短，且由于部分β相在α相表面下凹处嵌入片状α内使部分片状α组织被β相从原 片状α上分离出来形成形状不规则的细小α；在试样内相转变结束后保温过程中较短的 棒状α和分离出来的细小α在表面能的作用下发生球化，由于第一次退火后较短的棒状 α含量很少，只有部分细小α球化所以等轴含量变化不大；重复退火过程中，每增加一 次退火过程由于都有棒状α长度方向的溶解而变短球化和从片状α相上分离出的细小α 发生球化导致等轴含量的增加，当片状α球化基本结束时增加退火次数对等轴α含量影 响不大。经金相测量发现第一次退火等轴α含量增加不明显，第2次到第5次每增加1 次退火处理等轴α含量约增加5%，当退火5次时等轴α含量约增加20%（如附图3），且 组织中基本不存在长片状α相，继续进行球化退火时组织变化较小。

附图说明

附图1是循环退火球化热处理工艺图

附图2是实施例一、三中TA15钛合金的初始组织图。

附图3是实施例一中TA15片状α球化后组织图。

附图4是实施例三中TA15片状α球化后组织图。

具体实施方式

实施例一

将电阻炉加热到940℃，将尺寸为Φ10×15mm的混合组织TA15钛合金试样放入电 阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实 施例中，试样的最小外形尺寸为D＝10mm，故保温时间为20min。保温结束后将试样取 出空冷，完成第一次退火工艺。

将电阻炉加热到940℃，将经过第一次退火的混合组织TA15钛合金试样放入电阻 炉内，保温20min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程，依次进行第三次退火至第五次退火。重复上述退火过程，经 5次退火后的TA15钛合金中等轴α含量由10%变为30%，等轴α含量增加了20%，如附 图3所示。

实施例二

将电阻炉加热到950℃，将尺寸为Φ20×30mm的混合组织TA11钛合金试样放入电 阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺寸。本实 施例中，试样的最小外形尺寸为D＝20mm，故保温时间为25min。保温结束后将试样取 出空冷，完成第一次退火工艺。

将电阻炉加热到950℃，将经过第一次退火的混合组织TA11钛合金试样放入电阻 炉内，保温25min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程，依次进行第三次、第四次退火。经4次退火后的TA11钛合金 中等轴α含量由10%变为25%，等轴α含量增加了15%。

实施例三

将电阻炉加热到940℃，将尺寸为55mm×55mm×12mm的混合组织TA15钛合金试 样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺 寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝12mm，故保温时间为21min。保温结束后 将试样取出空冷，完成一次退火工艺。

将电阻炉加热到940℃，将经过第一次退火的混合组织TA15钛合金试样放入电阻 炉内，保温21min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺，经2次退火后的TA15 钛合金中等轴α含量由10%变为15%，等轴α含量增加了5%，如附图4所示。

实施例四

将电阻炉加热到960℃，将尺寸为80mm×29mm×15mm的混合组织TA12钛合金试 样放入电阻炉内保温。保温时间为15min+0.5min/mm×D，其中D为试样的最小外形尺 寸。本实施例中，试样的最小外形尺寸为D＝15mm，故保温时间为22.5min。保温结束 后将试样取出空冷，完成一次退火工艺。

将电阻炉加热到960℃，将经过第一次退火的混合组织TA12钛合金试样放入电阻 炉内，保温22.5min后将试样取出空冷，完成第二次退火工艺。

重复上述退火过程进行第三次退火，经3次退火后的TA12钛合金中等轴α含量由 10%变为20%，等轴α含量增加了10%。