钛合金构件及用于钛合金构件的热处理方法

摘要

本发明提供了一种钛合金构件及用于钛合金构件的热处理方法，该热处理方法包括以下步骤：选取钛合金基材，并利用电子束焊接工艺制作焊接接头；对焊接接头进行第一次去应力退火；对第一次去应力退火处理后的焊接接头进行固溶处理；将完成固溶处理后的焊接接头在靠近焊接区域的表面进行激光熔化沉积，得到构件；将构件进行第二次去应力退火；对第二次去应力退火处理后的构件依次进行第一次退火热处理以及第二次退火热处理。该热处理方法通过两次去应力退火缓解焊接接头在不同制备阶段的残余应力，通过固溶处理减少晶界α相提高塑性，通过双重退火热处理进一步调整不同区域中的组织特征来改变整体焊接接头的综合力学性能。

权利要求

1.一种用于钛合金构件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：选取TC11钛合金基材，并利用电子束焊接工艺制作焊接接头；其中，所述钛合金基材的截面厚度≥100mm；

对所述焊接接头进行第一次去应力退火；所述第一次去应力退火的工艺条件为：升温至600 750℃，保温2 4h后空冷；

~ ~

对第一次去应力退火处理后的所述焊接接头进行固溶处理；所述固溶处理的工艺条件为：升温至950 980℃，保温0.5 1h后空冷；

~ ~

将完成所述固溶处理后的所述焊接接头在靠近焊接区域的表面进行激光熔化沉积，得到构件；所述激光熔化沉积所采用的原料为粒度70 250μm的钛合金预合金粉末，所述钛合~

金预合金粉末的化学组成与所述TC11钛合金基材一致；

将所述构件进行第二次去应力退火；所述第二次去应力退火的工艺条件均为：升温至

600 750℃，保温2 4h后空冷；

~ ~

对第二次去应力退火处理后的所述构件依次进行第一次退火热处理以及第二次退火热处理；其中，

所述第一次退火热处理的工艺条件为：加热至850 1010℃，保温1 4h后空冷；

~ ~

所述第二次退火热处理的工艺条件为：加热至530 650℃，保温4 6h后空冷。

~ ~

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述固溶处理的升温速率为10 20~

℃/min，冷却速率为30 40℃/min。

~

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第一次去应力退火和所述第二次去应力退火中的升温速率均为20 30℃/min，冷却速率均为30 40℃/min。

~ ~

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述第一次退火热处理和所述第二次退火热处理中的升温速率均为10 20℃/min，冷却速率均为30 40℃/min。

~ ~

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述电子束焊接在真空环境下进‑2

行，且焊接腔内工作压强≤6.7×10 Pa。

6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述激光熔化沉积的工艺条件为：惰性气氛下，功率为4 6kW，扫描速率为600 1000mm/min，激光光斑直径为5 8mm。

~ ~ ~

7.根据权利要求6所述的热处理方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气气氛，且氧含量≤50ppm。

8.一种钛合金构件，其特征在于，所述钛合金构件采用权利要求1‑7任一项所述的热处理方法制作得到，其中：

所述钛合金构件的抗拉强度≥1030MPa，屈服强度≥885MPa，断后延伸率≥8%，面缩率≥23%。

说明书

钛合金构件及用于钛合金构件的热处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电子束焊接与激光增材制造复合连接技术领域，具体涉及一种钛合金构件及用于钛合金构件的热处理方法。

背景技术

[0002] 随着航空航天、汽车船舶、建筑制造等行业的发展，各类先进产业所用装备和构件都朝着大型化、整体化和高性能化发展，能否在极端工作环境下保持着高寿命和高性能已
经成为衡量大型金属构件的重要标准之一，这对钛合金、高强钢和高温合金等先进材料又
提出了更高的要求。钛合金由于比强度高、热强性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天
及大型装备制造业中，对于大型复杂钛合金构件来说，能否保证其高效可靠的连接已经成
为重大先进装备制造业的核心技术之一。

[0003] 电子束焊接与激光增材制造复合连接是一种用于大型钛合金构件连接的新型方法，该方法可用于截面厚度大于100mm待连接的钛合金构件的连接，利用电火花在两侧预制
出一定角度和深度的坡口，首先采用电子束焊接技术进行钛合金构件中部区域的对接焊，
然后在坡口处利用激光增材制造连接技术制备致密的增材连接区，沉积完成后进行清理打
磨以获得完整的焊接接头。

[0004] 但是现有技术中，未进行去应力退火处理的电子束焊接结构常存在较大的残余应力，如果直接在坡口处进行激光增材制造，则激光增材制造产生的热应力或残余应力会叠
加在前期的残余应力上，可能引起构件的变形。另外，受电子束焊接能量较高影响，TC11钛
合金电子束焊缝区域晶界上常分布有晶界α相和一定含量的次生α相，进一步影响后续构件
增材连接过程中的微观变形行为和塑性。再者，由于电子束焊接和激光增材连接区的组织
受成形热力学影响较为复杂，且非平衡快速凝固将促使合金组织细化，因而致使连接区的
硬度和强度高于母材区，塑性偏低。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种钛合金构件及用于钛合金构件的热处理方法，该热处理方法通过两次去应力退火缓解焊接接头在不同制备阶段的残余应力，通过固溶处
理减少晶界α相提高塑性，通过双重退火热处理进一步调整不同区域中的组织特征(包括数
量和形貌等)来改变整体焊接接头的综合力学性能。

[0006] 为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于钛合金构件的热处理方法。

[0007] 该用于钛合金构件的热处理方法包括以下步骤：

[0008] 选取钛合金基材，并利用电子束焊接工艺制作焊接接头；其中，所述钛合金基材的截面厚度≥100mm；

[0009] 对所述焊接接头进行第一次去应力退火；

[0010] 对第一次去应力退火处理后的所述焊接接头进行固溶处理；

[0011] 将完成所述固溶处理后的所述焊接接头在靠近焊接区域的表面进行激光熔化沉积，得到构件；

[0012] 将所述构件进行第二次去应力退火；

[0013] 对第二次去应力退火处理后的所述构件依次进行第一次退火热处理以及第二次退火热处理。

[0014] 进一步的，所述固溶处理的工艺条件为：升温至950～980℃，保温0.5～1h后空冷；

[0015] 优选的，所述固溶处理的升温速率为10～20℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0016] 进一步的，所述第一次去应力退火和所述第二次去应力退火的工艺条件均为：升温至600～750℃，保温2～4h后空冷。

[0017] 进一步的，所述第一次去应力退火和所述第二次去应力退火中的升温速率均为20～30℃/min，冷却速率均为30～40℃/min。

[0018] 进一步的，所述第一次退火热处理的工艺条件为：加热至850～1010℃，保温1～4h后空冷。

[0019] 进一步的，所述第二次退火热处理的工艺条件为：加热至530～650℃，保温4～6h后空冷；

[0020] 优选的，所述第一次退火热处理和所述第二次退火热处理中的升温速率均为10～20℃/min，冷却速率均为30～40℃/min。

[0021] 进一步的，所述电子束焊接在真空环境下进行，且焊接腔内工作压强≤6.7×10‑2
Pa。

[0022] 进一步的，所述激光熔化沉积的工艺条件为：惰性气氛下，功率为4～6kW，扫描速率为600～1000mm/min，激光光斑直径为5～8mm；

[0023] 优选的，所述惰性气氛为氩气气氛，且氧含量≤50ppm。

[0024] 进一步的，所述激光熔化沉积所采用的原料为粒度70～250μm的钛合金预合金粉末，所述钛合金预合金粉末的化学组成与所述钛合金基材一致。

[0025] 为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种钛合金构件。

[0026] 该钛合金构件是采用上述的热处理方法制作得到，其中：

[0027] 所述钛合金构件的抗拉强度≥1030MPa，屈服强度≥885MPa，断后延伸率≥8％，面缩率≥23％。

[0028] 本发明在电子束焊接和激光增材复合连接钛合金(例如TC11等)时，可以对焊接接头进行去应力退火、固溶处理以及后续双重退火的多步骤热处理。第一次去应力退火可以
缓解电子束焊接以及激光增材制造所引起的残余应力；高温固溶处理将主要促进电子束焊
接过程中析出的晶界α相和次生α相溶解，提高激光增材连接前的样件塑性。第二次去应力
退火主要为缓解激光增材连接后样件的整体残余应力。双重退火中的第一次退火热处理将
充分促进组织中初生α相和次生α相的溶解，第二次退火热处理能促进α相的均匀析出，使电
子束焊接区、增材制造区和母材的强度和塑性差异减小，提高焊接接头力学性能。

[0029] 本发明能够缓解电子束焊接和激光增材制造复合连接样件在成形过程中和成形后的残余应力，控制合金中的组织特征(如α相的含量及形貌等)，促进TC11等钛合金电子束
焊接加激光增材连接构件获得较优异的的综合力学性能(如强度和塑性等)。

附图说明

[0030] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明
的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0031] 图1为本发明实施例中热处理方法的流程示意图。

具体实施方式

[0032] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实
施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公
开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0033] 为了缓解残余应力，防止构件开裂，并优化组织结构实现复合焊接接头力学性能优化，提供一种用于电子束焊接与激光增材制造复合连接TC11钛合金接头的多步骤热处理
方法。

[0034] 图1示出了本发明实施例中用于电子束焊接与激光增材制造复合连接TC11钛合金接头的多步骤热处理方法的流程示意图。

[0035] 第一步，选取钛合金基材并根据实际需要选择性的加工成坡口，继而在真空环境‑2
下，对钛合金基材进行电子束对接焊。其中，焊接腔内工作压强≤6.7×10 Pa。

[0036] 第二步，将焊接接头随炉升温至600～750℃，保温2～4h后空冷，进行第一次去应力退火。其中，加热炉为惰性气氛保护炉，通入氩气的纯度≥99.99％；第一次去应力退火的
升温速率为20～30℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0037] 第三步，再将第一次去应力退火后的焊接接头随炉升温至950～980℃，保温0.5～1h后空冷，进行固溶处理，促进α相溶解。其中，加热炉为惰性气氛保护炉，通入氩气的纯度
≥99.99％；固溶处理的升温速率为10～20℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0038] 第四步，在焊接接头靠近焊接区域的表面处进行激光熔化沉积，得到构件。其中，激光熔化沉积所采用的原料为粒度70～250μm的钛合金预合金粉末，并且钛合金预合金粉
末的化学组成与钛合金基材一致；激光熔化沉积的工艺条件为：氩气气氛下，且氧含量≤
50ppm；功率为4～6kW，扫描速率为600～1000mm/min，激光光斑直径为5～8mm。

[0039] 第五步，将构件随炉升温至600～750℃，保温2～4h后空冷，进行第二次去应力退火。其中，加热炉为惰性气氛保护炉，通入氩气的纯度≥99.99％；第二次去应力退火的升温
速率为20～30℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0040] 第六步，加热至850～1010℃，保温1～4h后空冷，对第二次去应力退火处理后的构件进行第一次退火热处理。其中，加热炉为惰性气氛保护炉，通入氩气的纯度≥99.99％；第
一次退火热处理的升温速率为10～20℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0041] 第七步，加热至530～650℃，保温4～6h后空冷，对第一次退火热处理后的构件进行第二次退火热处理。其中，加热炉为惰性气氛保护炉，通入氩气的纯度≥99.99％；第二次
退火热处理的升温速率为10～20℃/min，冷却速率为30～40℃/min。

[0042] 第八步，在完成第二次退火热处理后，构件的连接表面需利用铣削或磨削等机械加工方式进行清理。

[0043] 需要说明的是，本发明实施例中第一次去应力退火、第二次去应力退火、固溶处理、第一次退火热处理以及第二次退火热处理的保温时间至少与焊接接头的截面高度有
关。

[0044] 一般来说，在截面高度为25mm，保温1h的基础上，高度每增加5mm，保温时间增加0.5～1h。

[0045] 但在实际操作中，可以灵活设置保温时间，目的为达到最佳的处理效果。

[0046] 以下将通过具体实施例对本发明中的电子束焊接与激光增材制造复合连接TC11钛合金接头的热处理方法进行详细说明。

[0047] 实施例1：

[0048] 将截面厚度为160mm的TC11钛合金变形材件加工坡口，继而在真空环境下对样件‑2
中部区域进行电子束对接焊，工作压强≤6.7×10 Pa。

[0049] 利用机械加工、铣床等方式将焊接接头表面余高及相关氧化皮和粘着粉末颗粒等表面缺陷进行清理。

[0050] 待焊接接头表面打磨光滑后，利用丙酮将接头表面上的指印、油污、水渍和其它污染痕迹擦除干净，最后用去离子水清洗。

[0051] 将充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度≥99.99％的高纯氩气充入电阻炉中，将混有氩气的空气从出口处排出。当气氛加工室中氧含量≤800ppm时，关闭进口和
出口，打开循环系统，将接头放入惰性气氛保护炉中，通过分子筛滤掉空气，将剩下的氩气
重新排入加工室内，以此循环往复，当炉内氩气纯度≥99.99％时，以25℃/min的升温速率
加热到650℃，保温3h后空冷，冷却速率为35℃/min，消除电子束焊接过程中引起的残余应
力。

[0052] 去应力退火完成后再将焊接接头随炉以15℃/min的升温速率加热到980℃，保温1h后空冷，冷却速率为35℃/min，使次生α相固溶，且防止晶粒长大。

[0053] 将焊接接头放入增材制造工作腔中，在氩气氛保护下在坡口处完成增材制造：将钛合金基板固定在增材制造腔体内，通入纯度大于99.99％的氩气保护并保持氧含量≤
50ppm；采用激光为热源，将同轴输送的粉末在移动激光熔池中连续熔化沉积，增材制造连
接区。其中，粉末为粒度70～250μm的Ti‑6.5Al‑3.5Mo‑1.5Zr‑0.3Si粉末(钛合金牌号为
TC11)，其中间隙元素粉末含量为(wt％)：Fe<0.25，O<0.15，C<0.08，N<0.05，H<0.012。

[0054] 利用砂轮、机加工等方式将表面打磨光滑。

[0055] 表面处理完成后将焊接接头随炉以25℃/min的升温速率加热到650℃，保温3h后空冷，冷却速率为35℃/min，消除增材制造过程中引起的残余应力。

[0056] 再将增材制造完成后的焊接接头放入加热炉中，重复通气操作直到氩气纯度≥99.99％，进行特殊双重退火热处理：首先以15℃/min的升温速率加热至1000℃，保温3h后
空冷，冷却速率为35℃/min，对第一次去应力退火处理后的构件进行第一次退火热处理；然
后以15℃/min升温速率加热至600℃，保温5h后空冷，冷却速率为35℃/min，对第一次退火
热处理后的构件进行第二次退火热处理。

[0057] 最后，再用吹砂、砂轮抛磨或机械加工的方式去掉构件表面的新生氧化皮和出现淡紫色、蓝色等有氧化色的部分。

[0058] 实施例2：

[0059] 将截面厚度为100mm的TC11钛合金变形材件加工坡口，继而在真空环境下对样件‑2
中部区域进行电子束对接焊，工作压强≤6.7×10 Pa。

[0060] 利用机械加工、铣床等方式将焊接接头表面余高及相关氧化皮和粘着粉末颗粒等表面缺陷进行清理。

[0061] 待焊接接头表面打磨光滑后，利用丙酮将接头表面上的指印、油污、水渍和其它污染痕迹擦除干净，最后用去离子水清洗。

[0062] 将充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度≥99.99％的高纯氩气充入电阻炉中，将混有氩气的空气从出口处排出。当气氛加工室中氧含量≤800ppm时，关闭进口和
出口，打开循环系统，将接头放入惰性气氛保护炉中，通过分子筛滤掉空气，将剩下的氩气
重新排入加工室内，以此循环往复，当炉内氩气纯度≥99.99％时，以30℃/min的升温速率
加热到700℃，保温2h后空冷，冷却速率为30℃/min，消除电子束焊接过程中引起的残余应
力。

[0063] 去应力退火完成后再将焊接接头以20℃/min的升温速率随炉加热到950℃，保温0.5h后空冷，冷却速率为30℃/min，使次生α相固溶，且防止晶粒长大。

[0064] 将焊接接头放入增材制造工作腔中，在氩气氛保护下在坡口处完成增材制造：将钛合金基板固定在增材制造腔体内，通入纯度大于99.99％的氩气保护并保持氧含量≤
50ppm；采用激光为热源，将同轴输送的粉末在移动激光熔池中连续熔化沉积，增材制造连
接区。其中，粉末为粒度70～250μm的Ti‑6.5Al‑3.5Mo‑1.5Zr‑0.3Si粉末(钛合金牌号为
TC11)，其中间隙元素粉末含量为(wt％)：Fe<0.25，O<0.15，C<0.08，N<0.05，H<0.012。

[0065] 利用砂轮、机加工等方式将表面打磨光滑。

[0066] 表面处理完成后将焊接接头随炉以20℃/min的升温速率加热到600℃，保温4h后空冷，冷却速率为30℃/min，消除增材制造过程中引起的残余应力。

[0067] 再将增材制造完成后的焊接接头放入加热炉中，重复通气操作直到氩气纯度≥99.99％，进行特殊双重退火热处理：首先以15℃/min的升温速率加热至1000℃，保温3h后
空冷，冷却速率为35℃/min，对第一次去应力退火处理后的构件进行第一次退火热处理；然
后以15℃/min升温速率加热至600℃，保温5h后空冷，冷却速率为35℃/min，对第一次退火
热处理后的构件进行第二次退火热处理。

[0068] 最后，再用吹砂、砂轮抛磨或机械加工的方式去掉构件表面的新生氧化皮和出现淡紫色、蓝色等有氧化色的部分。

[0069] 本发明通过对实施例1以及实施例2中制作得到的TC11钛合金接头进行金相分析和力学性能测试后发现：

[0070] 电子束焊接区、激光增材连接区和母材区的组织存在差异，其中电子束焊接区主要为α相集束和针状马氏体、激光增材连接区组织主要为细小的α片层和β组成的精细网篮
组织，而母材区主要为变形的网篮组织。

[0071] 经本发明的热处理后，焊接接头各个区域内初生α相发生了不同程度的等轴化，且次生α减少，母材部分双态组织中α相的长径比变小；除焊缝中心α集束尺寸增大外，其余区
域α集束尺寸都减小，组织稳定性得到了提高。

[0072] 表1是实施例1以及实施例2中TC11钛合金焊接接头室温下的拉伸性能测试结果；

[0073] 表2是TC11钛合金拉伸性能的国家标准。

[0074] 其中：UTS表示抗拉强度、YS表示屈服强度、EL表示断后延伸率、RA表示面缩率。

[0075] 表1电子束焊接加激光增材连接TC11钛合金接头的室温拉伸性能

[0076]

[0077] 表2TC11钛合金锻件室温拉伸性能国家标准

[0078] 组别 UTS(MPa) YS(MPa) EL(％) RA(％)标准 ≥1030 ≥885 ≥8 ≥23

[0079] 在本发明中，经过多步骤热处理之后，电子束焊接与激光增材制造复合连接钛合金接头中的激光增材连接区、电子束焊接区和母材区的力学性能均基本达到了钛合金锻件
的国家标准，且在热处理之后，电子束焊接区和母材基体区抗拉强度升高，且各区域合金塑
性均得到明显提升，一定程度提高了连接接头的安全性。

[0080] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范
围为准。