本发明提供了一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法包括：步骤A：将TA15合金坯料在β单相区进行加热，保温t1分钟；步骤B：然后将坯料直接水淬或自由锻造，自由锻造的变形量为a1；步骤C：然后，再将坯料在α+β两相区进行加热，保温t2分钟；步骤D：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造的变形量为a2；步骤E：然后对坯料进行水冷或空冷至室温；步骤F：然后对坯料进行再结晶退火处理。本发明采用热机械处理工艺细化TA15合金晶粒，该工艺对设备没有过高的要求，无需专用模具，不仅可以细化钛合金晶粒，而且可以制备大尺寸钛合金坯料以满足实际锻件的生产需要。
1.一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法包括：步骤A：将TA15合金坯料在β单相区进行加热，保温t1分钟；所述步骤A中，将TA15合金坯料在β单相区进行加热的温度为1020℃，即TA15合金相变点以上40度；
步骤B：然后将坯料自由锻造后水淬，自由锻造的变形量为a1；
步骤C：然后，再将坯料在α+β两相区进行加热，保温t2分钟；所述步骤C中，将TA15合金坯料在α+β两相区进行加热的温度为940℃，即TA15合金相变点以下40度；
步骤D：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造的变形量为a2；
步骤F：然后对坯料进行再结晶退火处理；退火温度为810℃，退火保温时间为60min，然后空冷至室温；
TA15合金的热机械处理后，TA15合金室温力学性能：抗拉强度为1055MPa，屈服强度为
1024MPa，延伸率为18.73％，断面收缩率为46.13％。
2.如权利要求1所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，步骤B中，变形量a1为50% 60%。
3.如权利要求1所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，步骤D中，变形量a2为50% 60%。
4.如权利要求1所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为12.17；
步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，然后空冷至室温。
5.如权利要求4所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，步骤D1中，终锻温度大于850℃。
6.如权利要求1所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为22.37；
步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，空冷至室温。
7.如权利要求1所述的 制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，其特征在于，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
步骤B1：然后将坯料从炉内取出后进行锻造变形，变形后空冷至室温；
步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为22.37；
步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，空冷至室温。
一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属热处理领域，具体涉及一种钛合金的晶粒细化方法，即一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法。
背景技术
[0002] 为有效降低装备结构重量，提高装备性能、使用寿命和可靠性，飞机上许多关键部件越来越多地采用钛合金大型整体结构件，钛合金大型整体关键结构件用量成为衡量现代飞机和航空发动机等重大装备技术先进性的重要标志之一。钛合金微观组织对锻造工艺参数比较敏感，常规锻造工艺难以满足大型复杂钛合金构件的成形，超塑性成形工艺可克服常规锻造工艺的一些缺点，为大型钛合金整体结构件的成形提供了一个新的途径。按照经典理论，钛合金具有超塑性的必要条件之一是具有等轴晶粒的微观组织，并要求晶粒尺寸d＜10μm。晶粒越细，晶界就越多，越曲折，有利于阻止裂纹的传播，从而在钛合金断裂前能承受较大的塑性变形，吸收较多的功，钛合金表现出较好的塑性和韧性。TA15(Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V)合金是一种高铝当量的近α型钛合金，其微观组织主要由大量的α相组成。大量研究表明，α和β两相比例合适的钛合金更有利于超塑性变形，而TA15合金的微观组织主要由α相构成，其超塑性能相对较差。此外，供货态TA15合金为非等轴的粗大晶粒、微观组织分布不均匀，因此为了提高其超塑性能，需要对其微观组织进行细化处理以获得等轴细晶组织。
[0003] 目前，细化钛合金晶粒的工艺方法较多，有等通道转角挤压法((Equal Channel Angular Pressing，ECAP)、热氢处理法和机械合金化法，等通道转角挤压法是在等通道转角挤压模具中对钛合金坯料进行多道次挤压变形，从而实现钛合金晶粒的细化，然而由于钛合金的变形抗力较大，挤压温度很高，且需要多道次挤压才能达到细化效果，工艺过程复杂，工艺控制不当反而造成晶粒粗化，并且获得的试样尺寸较小，难以满足实际生产的要求。此外，该方法对设备要求比较高，需要高温合金模具和等温锻造设备，生产成本加高。热氢处理工艺即把氢作为暂时性合金元素渗入钛合金中，细化其晶粒，改善其组织性能和热加工性能。然而，氢对钛合金的危害性较大，因此热氢处理工艺对氢的浓度控制极其严格，控制不当容易对钛合金微观组织造成不利影响。此外，相对于塑性变形，该工艺的细化效果有限。机械合金化法通过机械能驱动两种或两种以上金属粉末实现原子扩散、固相反应以及相变，从而获得细晶钛合金。该工艺过程很复杂，氧化和污染问题很严重，实际应用有较大的局限性。
[0004] 综上所述，现有技术中存在以下问题：现有制备细晶钛合金的技术，即细化供货态TA15合金晶粒，制作成本高、制成的晶粒大。
发明内容
[0005] 本发明提供一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，即细化供货态TA15合金晶粒的方法，以解决现有制备细晶钛合金的技术，制作成本高、制成的晶粒大的问题。
[0006] 为此，本发明提出一种制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法包括：
[0007] 步骤A：将TA15合金坯料在β单相区进行加热，保温t1分钟；
[0008] 步骤B：然后将坯料直接水淬或自由锻造，自由锻造的变形量为a1；
[0009] 步骤C：然后，再将坯料在α+β两相区进行加热，保温t2分钟；
[0010] 步骤D：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造的变形量为a2；
[0011] 步骤E：然后对坯料进行水冷或空冷至室温；
[0012] 步骤F：然后对坯料进行再结晶退火处理。
[0013] 进一步的，所述步骤A中，将TA15合金坯料在β单相区进行加热的温度为Tβ+40℃(具体为1020℃)，Tβ为TA15合金相变点。
[0014] 进一步的，所述步骤C中，将TA15合金坯料在β单相区进行加热的温度为Tβ-40℃(具体为940℃)。
[0015] 进一步的，步骤B中，变形量a1为50％～60％。
[0016] 进一步的，步骤D中，变形量a2为50％～60％。
[0017] 进一步的，退火温度为810℃，退火保温时间为60min，然后空冷至室温。
[0018] 进一步的，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：
[0019] 步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
[0020] 步骤B1：然后将坯料从炉内取出后立即水冷；
[0021] 步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
[0022] 步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为12.17；
[0023] 步骤E1：然后对坯料进行水冷；
[0024] 步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，然后空冷至室温。
[0025] 进一步的，步骤D1中，终锻温度大于850℃。
[0026] 进一步的，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：
[0027] 步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
[0028] 步骤B1：然后将坯料从炉内取出后立即水冷；
[0029] 步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
[0030] 步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为22.37；
[0031] 步骤E1：然后对坯料进行水冷；
[0032] 步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，空冷至室温。
[0033] 进一步的，所述制备细晶TA15合金的热机械处理工艺方法具体为：
[0034] 步骤A1：将TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min；
[0035] 步骤B1：然后将坯料从炉内取出后进行锻造变形，变形后空冷至室温；
[0036] 步骤C1：然后，再将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min；
[0037] 步骤D1：然后，对坯料进行自由锻造，自由锻造总锻造比为22.37；
[0038] 步骤E1：然后对坯料进行空冷；
[0039] 步骤F1：然后对坯料进行再结晶退火处理：退火温度为810℃，退火保温时间为60min，空冷至室温。
[0040] 本发明将供货态TA15合金坯料在β单相区进行加热，然后直接水淬或自由锻锤上锻造变形至设计尺寸；然后，再将坯料在α+β两相区进行加热，保温后继续对坯料进行自由锻造变形至设计尺寸，锻后水冷或空冷；最后对变形坯料进行再结晶退火处理。其中，每次自由锻的变形量控制在50％～60％左右。
[0041] 本发明采用热机械处理工艺细化TA15合金晶粒，该工艺对设备没有过高的要求，无需专用模具，不仅可以细化钛合金晶粒，而且可以制备大尺寸钛合金坯料以满足实际锻件的生产需要。
[0042] 本发明采用自由锻对坯料进行变形，变形过程中，坯料的晶粒不会随意长大，比等温锻的效果更好，而且加工过程灵活、加工环境要求简单、加工成本低。
附图说明
[0043] 图1为TA15合金(供货态TA15合金晶粒)原始组织的金相组织结构图片；
[0044] 图2为本发明实施例一中，将坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，从炉内取出后立即水冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0045] 图3为本发明实施例一中，再次将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，锻后立即水冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0046] 图4为本发明实施例一中，对坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0047] 图5为本发明实施例二中，将坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，变形后立即水冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0048] 图6为本发明实施例二中，再次将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，锻后立即水冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0049] 图7为本发明实施例二中，对坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0050] 图8为本发明实施例三中，将坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，变形后空冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0051] 图9为本发明实施例三中，将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，锻后空冷，获得的TA15合金金相组织结构图片；
[0052] 图10为本发明实施例三中，对坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷，获得的TA15合金金相组织结构图片。
[0053] 图1至图10，各图的放大倍数为400倍。
具体实施方式
[0054] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
[0055] 实施例一：
[0056] (1)TA15合金坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，从炉内取出后立即水冷；β相水冷可以产生粗大的针状马氏体。
[0057] (2)再次将坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，锻后立即水冷。此步的终锻温度必须大于850℃，否则对坯料进行回炉加热。
[0058] (3)将坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷(至室温)。
[0059] 实施例一中坯料的自由锻的总锻造比为12.17，图1为TA15合金原始组织的金相组织结构图片，各步骤得到的TA15合金的微观组织如图2、图3、图4所示。
[0060] 实施例二：
[0061] (1)坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，变形后立即水冷；β晶粒变形得到破碎，水冷可以产生更细小的马氏体。
[0062] (2)坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，锻造变形后立即水冷。此步的终锻温度必须大于850℃，否则对坯料进行回炉加热。
[0063] (3)坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷。
[0064] 实施例二中总锻造比为22.37，各步骤中的微观组织分别如图5、图6和图7所示。
[0065] 实施例三：
[0066] (1)坯料放入加热炉内加热至Tβ+40℃，保温50min，对坯料进行锻造变形，变形后空冷；
[0067] (2)坯料放入加热炉内加热至Tβ-40℃，保温50min后，对坯料进行锻造变形，变形后空冷。
[0068] (3)坯料再结晶退火处理：810℃×60min，空冷。
[0069] 实施例三中总锻造比为22.37，各步骤中的微观组织如图8、图9和图10所示。
[0070] 表1为不同热机械处理工艺对TA15合金室温力学性能的影响对照表
[0071]
[0072] 为了对比变形量对组织性能的影响，实施例一中高温β单相区只进行了加热，未变形，而仅在两相区进行了变形，所以实施例一变形量需严格控制。
[0073] 本发明较佳的实施例，例如实施例二，采用自由锻锤对TA15合金坯料进行反复镦粗和拔长，变形温度首先选择在Tβ+40℃高温区(Tβ为TA15合金相变点)，变形量控制在50％～60％左右，变形后快速水淬，然后再在相对较低的变形温度条件下(Tβ-40℃)对坯料进行锻造变形，变形量仍然控制在50％～60％左右，变形后立即水淬，最后对坯料进行再结晶退火处理以使组织更加均匀。
[0074] 通过上述高低温相结合的热机械处理工艺，使得供货态TA15合金的晶粒尺寸得到了充分的细化，其中实施例二中平均晶粒尺寸达到2μm，并且细化后TA15合金的力学性能得到大幅度提高，如表1所示。
[0075] 本发明以TA15合金相变点为基准选择锻造变形温度，采用高温和低温相结合的热机械处理工艺，将合金的变形和相变充分结合，有利于晶粒的细化。
[0076] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
