一种在近α钛合金中获得三态组织的方法

摘要

一种在近α钛合金中获得三态组织的方法，通过近β温度热处理，使试样组织改变为α等轴+马氏体；通过两相区温度热处理，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转；通过时效处理，得到具有三态组织的钛合金。本发明无需近β热变形，不产生变形温升效应，温度易于控制，对等轴组织近α钛合金无需进行专门的预处理来获得双态组织。本发明简便易行且使用范围广泛，适用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造的近α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，在加工出构件的近净形态后采用本发明获得三态组织。

权利要求

1.一种在近α钛合金中获得三态组织的方法，其特征在于，所述近α钛合金的初始组织为等轴组织，具体包括以下步骤：步骤一，近β温度热处理；将电阻炉加热至低于β转变点10～20℃；将试样放入电阻炉中；电阻炉升温至低于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；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；

步骤二，两相区温度热处理；将电阻炉加热至低于β转变点50～60℃；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β转变点50～60℃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；保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转；

步骤三，时效；将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入温度为550～

650℃的电阻炉中；当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温；保温时间为60～

360min；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。

说明书

一种在近α钛合金中获得三态组织的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钛合金热加工技术领域，具体是一种近α钛合金通过热处理获得三态组织的方法。

背景技术

[0002] 近α钛合金具有比α+β类钛合金更好的热稳定性和焊接性，比α钛合金更好的压力加工性能，通常在航空、航天等领域应用于关键的承力结构件。这些构件服役环境恶劣，不但要求高精度，更要求高性能和高可靠性，也就是说，既要求好的室温塑性和热稳定性，又要求好的强度、高温性能（持久、蠕变）、断裂韧性、疲劳性能、抗裂纹扩展能力。实际生产中的近α钛合金棒材、板材或锻坯（经过熔炼、轧制或改锻）往往是等轴组织。钛合金微观组织决定力学性能，从而决定了其服役性能。等轴组织和片层组织是近α钛合金的两种典型组织，这两种组织在塑性、热稳定性、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β转变基体组成的三态组织。三态组织综合了上述两种组织的优点，不仅具有好的塑性，同时具有高的热强性和断裂韧性，综合性能优于其它类型的组织。因此，获得具有三态组织的钛合金零（构）件常常是生产中追求的目标。

[0003] 而获得三态组织的近β锻造技术需要在β转变点以下10~20℃进行锻造，锻造时由于金属激烈流动，存在变形热而导致温升效应，同时流动不均匀导致锻件不同位置的温升程度不同，会导致锻件局部过热，若要避免局部过热就会使锻造更加复杂。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锻造会因为不均匀变形热效应，使得锻件局部温度过高，或者使得锻造的控制更加复杂。

发明内容

[0004] 为克服现有技术中存在的近β锻造会因为不均匀变形热效应，使得锻件局部温度过高，或者使得锻造的控制更加复杂，以及对初始组织为双态组织的限制的不足，本发明提出了一种在近α钛合金中获得三态组织的方法。

[0005] 本发明的具体步骤是：

[0006] 步骤一，近β温度热处理；将电阻炉加热至低于β转变点10～20℃；将试样放入电阻炉中；电阻炉升温至低于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；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；

[0007] 步骤二，两相区温度热处理；将电阻炉加热至低于β转变点50～60℃；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β转变点50～60℃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；保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转；

[0008] 步骤三，时效；将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入温度为550～650℃的电阻炉中；当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温；保温时间为60～
360min；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。

[0009] 为了解决获得三态组织钛合金的近β锻造的工作温度区间较窄不易控制的问题，以及热处理制度对初始组织的要求为双态组织的问题，本发明提供了一种在近α钛合金上获得三态组织的热处理方法。

[0010] 本发明通过步骤一能够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。通过步骤二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针片进一步粗化为具有一定厚度的条片状α，这时条片状α周围是β相。β相在随后的冷却中转变成细针片状的α+β组织，即β转。通过步骤三可以使钛合金组织和成分更加均匀，并且时效析出细小的α2相，最终获得由等轴初生α、条片状α及β转变组织构成的三态组织钛合金。本发明与现有技术相比具有以下优异效果：本发明的热处理方法无需近β热变形，不产生变形温升效应，温度易于控制，对等轴组织近α钛合金无需进行专门的预处理来获得双态组织；本发明的热处理方法简便易行且使用范围广泛，适用于轧制、挤压以及以机械加工成形等方法制造的近α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，就可以使用机械加工的方式加工出构件的近净形态后通过本发明获得三态组织。

附图说明

[0011] 附图1是方法流程图，

[0012] 附图2是β转变点为990℃的近α钛钛合金原始等轴组织图，

[0013] 附图3是经过步骤一热处理后的钛合金组织图，

[0014] 附图4是经过步骤三热处理后的钛合金三态组织图。

具体实施方式

[0015] 实施例一

[0016] 本实施例是一种在近α钛合金中获得三态组织的方法，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。

[0017] 本实施例的具体实施步骤为：

[0018] 步骤一，近β温度热处理。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；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。

[0019] 步骤二，两相区温度热处理。

[0020] 将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低于β转变点50～60℃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20～60min。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。保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转。

[0021] 步骤三，时效。将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入550～650℃的电阻炉中进行时效处理。当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温。保温时间为60～360min。本实施例的时效温度为550℃；当电阻炉的温度达到550℃时开始保温360min。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。

[0022] 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。通过步骤二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针片进一步粗化为具有一定厚度的条片状α，这时条片状α周围是β相。β相在随后的冷却中转变成细针片状的α+β组织，即β转。通过步骤三可以使钛合金组织和成分更加均匀，并且时效析出细小的α2相，最终获得由等轴初生α、条片状α及β转变组织构成的三态组织钛合金。

[0023] 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，经过步骤一的钛合金组织如图3所示，经过步骤三得到的钛合金的三态组织如图4所示。

[0024] 实施例二

[0025] 本实施例是一种在近α钛合金中获得三态组织的方法，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Φ210*300mm；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。

[0026] 本实施例的具体实施步骤为：

[0027] 步骤一，近β温度热处理。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，使试样组织改变为等轴α+马氏体组织。

[0028] 步骤二，两相区温度热处理。

[0029] 将电阻炉加热至TA15钛合金的两相区温度，即低于β转变点50～60℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为935℃，低于TA15钛合金β温度55℃。当电阻炉到达935℃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935℃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60min，保温时间为186min。保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转。

[0030] 步骤三，时效。将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入550～650℃的电阻炉中进行时效处理。当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温。保温时间为60～360min。本实施例的时效温度为600℃；当电阻炉的温度达到600℃时开始保温180min。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。

[0031] 实施例三

[0032] 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TA11钛合金，试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ15*25mm；所述TA11钛合金为Ti-8Al-1Mo-1V。TA11钛合金的β转变点为1040℃，初始组织为等轴组织。

[0033] 本实施例的具体实施步骤为：

[0034] 步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TA11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1020℃，低于TC4钛合金β温度20℃。当电阻炉的温度到达1020℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至1020℃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15mm，保温时间为25min。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。

[0035] 步骤二，两相区温度热处理。

[0036] 将电阻炉加热至TA11钛合金的两相区温度，即低于β转变点50～60℃的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为990℃，低于TA11钛合金β温度50℃。当电阻炉到达990℃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990℃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25min，增加20min，保温时间为45min。保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转。

[0037] 步骤三，时效。将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入550～650℃的电阻炉中进行时效处理。当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温。保温时间为60～360min。本实施例的时效温度为600℃；当电阻炉的温度达到600℃时开始保温120min。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。

[0038] 实施例四

[0039] 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TA11钛合金，试样的外形为长方体，该试样的规格为48*48*100mm；所述TA11钛合金为Ti-8Al-1Mo-1V。TA11钛合金的β转变点为1040℃，初始组织为等轴组织。

[0040] 本实施例的具体实施步骤为：

[0041] 步骤一，近β温度热处理。将电阻炉加热至TA11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1030℃，低于TA11钛合金β温度10℃。当电阻炉的温度到达1030℃后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至1030℃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GJB 3763A-2004的附录A。本实施例中，钛合金试样截面等效圆直径为60mm，保温时间为60min。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。

[0042] 步骤二，两相区温度热处理。

[0043] 将电阻炉加热至TA11钛合金的两相区温度，即低于β转变点50～60℃的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为980℃，低于TA11钛合金β温度60℃。当电阻炉到达980℃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980℃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60min，增加40min，保温时间为100min。保温结束后取出试样空冷至室温，使试样组织改变为α等轴+α条片+β转。

[0044] 步骤三，时效。将得到的组织为α等轴+α条片+β转的钛合金试样放入550～650℃的电阻炉中进行时效处理。当电阻炉的温度达到550～650℃时开始保温。保温时间为60～360min。本实施例的时效温度为650℃；当电阻炉的温度达到650℃时开始保温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。