专利名称：一种通过炉冷在近α钛合金中获得三态组织的方法
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近α钛合金中使用炉冷获得三态组织的热处理方法。
背景技术：
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近α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°C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CN10171790 4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°C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°C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，但是用于成形近α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 102212745Α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°C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，本发明提出了一种在近α钛合金中获得三态组织的方法。本发明的具体步骤是:步骤一,近β温度保温水冷。将电阻炉加热至近α钛合金的近β温度，当电阻炉的温度到达近α钛合金的近β温度后将试样放入电阻炉中。电阻炉升温至α钛合金的近β温度开始保温，保温时间为每Imm近α钛合金试 样截面等效圆直径保温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a 马氏体。所述近α钛合金的近β温度是低于β转变点10 20°C的温度范围。步骤二，两相区温度保温炉冷+空冷。将电阻炉加热至近α钛合金的两相区温度。当电阻炉升温至近α钛合金的两相区温度时开始保温，保温时间是在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，使试样随炉冷却。当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金。所述近α钛合金的两相区温度是低于β转变点40 60°C的温度范围。本发明通过步骤一能够在近α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。当炉冷到低于β转变点90 120°C的温度范围时，在片状α之间仍然存在一定量的高温β相，之后空冷到室温，这部分β相主要转变成了 β转变组织，最终形成了由等轴α、条片α和β转变组织形成的三态组织近α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，不产生变形不均匀热效应，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，且最终获得的三态组织中的次生片状α的厚度相对较大；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；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。另外，根据需要可以在获得三态组织后对钛合金进行550 650°C温度范围内的时效处理。
附图1是本发明的流程图，
附图2是β转变点为990°C的近α钛钛合金原始等轴组织图，附图3是经过两个步骤热处理后的近α钛合金三态组织图。
具体实施例方式实施例一本实施例是一种在近α钛合金中使用炉冷获得三态组织的方法，所用试样为ΤΑ15钛合金,试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ 10*15mm ;所述TA15钛合金为T1-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15钛合金的β转变点为990°C，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ΤΑ15钛合金的近β温度，即低于β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为975°C，低于TA15钛合金β温度15°C。当电阻炉的温度到达975°C后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至975°C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Imm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a 马氏体。步骤二，两相区温度保温炉冷+空冷。将电阻炉加热至Τ Α15钛合金的两相区温度，即低于β转变点40 60°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为940°C，低于TA15钛合金β温度50°C。当电阻炉到达940°C后，将经过步骤一得到的组织为α 马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至940°C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I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，使试样随炉冷却。当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷到室温，本实施例中，是电阻炉冷却到900°C，即低于钛合金β温度90°C时，取出试样空冷到室温，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。当炉冷到900°C时，在片状α之间仍然存在一定量的高温β相，之后空冷到室温，这部分β相主要转变成了 β转变组织，最终形成了由等轴α、条片α和β转变组织形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。本实施例的热处理方法流程见图1，ΤΑ15钛合金原始微观组织见图2，经过两个步骤后得到的钛合金的三态组织如图3所示。实施例二
本实施例是一种在近α钛合金中使用炉冷获得三态组织的方法，所用试样为ΤΑ15钛合金，试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ210*300πιπι ;所述ΤΑ15钛合金为T1-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15钛合金的β转变点为990°C，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温度热处理。将电阻炉加热至ΤΑ15钛合金的近β温度，即低于β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为970°C，低于TA15钛合金β温度20°C。当电阻炉的温度到达970°C后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至970°C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Imm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。步骤二，两相区温度保温炉冷+空冷。将电阻炉加热至ΤΑ15钛合金的两相区温度，即低于β转变点40 60°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为950°C，低于TA15钛合金β温度40°C。当电阻炉到达950°C后，将经过步骤一得到的组织为α 马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至950°C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I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，使试样炉冷；当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷到室温，本实施例中，是电阻炉冷却到890°C，即低于钛合金β温度100°C时，取出试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。实施例三
本实施例是一种在近α钛合金中使用炉冷获得三态组织的方法，所用试样为TAll钛合金,试样的外形为圆柱形，该试样的规格为Φ 15*25mm ;所述TAll钛合金为T1-8Al-lMo-lV。TAll钛合金的β转变点为1040°C，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温度热处理。将电阻炉加热至TAll钛合金的近β温度，即低于β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为1020°C，低于TC4钛合金β温度20°C。当电阻炉的温度到达1020°C后将圆柱试样放入电阻炉中。电阻炉升温至1020°C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Imm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a 马氏体。步骤二，两相区温度保温炉冷+空冷。将电阻炉加热至TAll钛合金的两相区温度，即低于β转变点40 60°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为980°C，低于TA15钛合金β温度60°C。当电阻炉到达980°C后，将经过步骤一得到的组织为α 马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至980°C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I中的保温时间为25min，增加60min，保温时间为85min。保温结束后使电阻炉停止加热，使试样炉冷；当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷至IJ室温，本实施例中，是电阻炉冷却到920°C，即低于钛合金β温度120°C时，取出试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。实施例四本实施例是一种在近α钛合金中使用炉冷获得三态组织的方法，所用试样为TAll钛合金，试样的外形为长方体，该试样的规格为48*48*100mm ;所述TAll钛合金为T1-8Al-lMo-lV。TAll钛合金的β转变点为1040°C，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温度热处理。将电阻炉加热至TAll钛合金的近β温度，即低于β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为1030°C，低于TAll钛合金β温度10°C。当电阻炉的温度到达1030°C后将试样放入电阻炉中。电阻炉升温至1030°C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Imm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a 马氏体。步骤二，两相区温 度保温炉冷+空冷。将电阻炉加热至TAll钛合金的两相区温度，即低于β转变点40 60°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为980°C，低于TA15钛合金β温度60°C。当电阻炉到达980°C后，将经过步骤一得到的组织为α 马氏体的钛合金试样放入电阻炉中。当电阻炉升温至980°C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I中的保温时间为60min，增加50min，保温时间为llOmin。保温结束后使电阻炉停止加热，使试样炉冷；当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷到室温，本实施例中，是电阻炉冷却到940°C，即低于钛合金β温度100°C时，取出试样空冷到室温，达到具有三态组织的钛合金。
权利要求
1.一种通过炉冷在近α钛合金中获得三态组织的方法，其特征在于，具体步骤为: 步骤一，近β温度保温水冷； 将电阻炉加热至近α钛合金的近β温度，当电阻炉的温度到达近α钛合金的近β温度后将试样放入电阻炉中；电阻炉升温至α钛合金的近β温度开始保温，保温时间为每Imm近α钛合金试样截面等效圆直径保温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 马氏体； 步骤二，两相区温度保温炉冷+空冷； 将电阻炉加热至近α钛合金的两相区温度；当电阻炉升温至近α钛合金的两相区温度时开始保温，保温时间是在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，使试样随炉冷却；当电阻炉冷却到低于β转变点90 120°C的温度范围时，取出试样空冷到室温，得到具有三态组织的钛合金。
2.如权利要求1所述通过炉冷在近α钛合金中获得三态组织的方法，其特征在于，步骤一中所述近α钛合金的近β 温度是低于β转变点10 20°C的温度范围。
3.如权利要求1所述通过炉冷在近α钛合金中获得三态组织的方法，其特征在于，步骤二中所述近α钛合金的两相区温度是低于β转变点40 60°C的温度范围。
全文摘要
一种通过炉冷在近α钛合金中获得三态组织的方法，通过近β温度保温水冷和两相区温度保温炉冷+空冷，得到具有三态组织的近α钛合金。通过近β温度保温水冷，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。通过两相区温度保温炉冷+空冷，最终形成了由等轴α、条片α和β转变组织形成的三态组织钛合金。本发明的热处理方法无需近β热变形，不产生变形不均匀热效应，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。本发明中的次生片状α的厚度值具有很大的调节范围，并具有简便易行且使用范围广泛的特点，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。
文档编号C22F1/18GK103205662SQ201310014508
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者孙志超, 杨合, 郭双双, 马超 申请人:西北工业大学