专利名称：一种近α钛合金在α+β两相区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，具体是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺。
背景技术：
钛合金作为一种高性能的材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、石油化工、生物制药等领域占有重要的地位。近α钛合金(如ΤΑ15)具有α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。与铸造相比，锻造可以生产横截面积更大的产品，同时通过合理的加工和严格的工艺控制，产品性能重现性好。钛合金锻件作为飞机等关键承力构件，因其服役环境恶劣，要求具有优异的综合性能(室温/温性能、断裂韧性等)。在钛合金的典型微观组织中，三态组织由约20%等轴α、5(Γ60%条状α和β转变基体组成，不仅具有好的塑性，同时具有高的高温性能、低周疲劳性性能和断裂韧性，其综合性能优异，能够满足钛合金航空锻件的服役要求。近十多年来，周义刚等在《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》中、哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中、西北工业大学在公开号为CN 102212745Α的发明专利申请中提出了获得三态组织钛合金的方法。近β锻造在中国航空工业标准ΗΒ/Ζ 199-2005《钛合金锻造工艺》中规定为“在β转变温度(Te)以下10°C 20°C加热后的进行锻造”，锻造温度区间较窄，不宜温度的控制，另一方面，近β锻造的加热温度接近Te，若采用大变形单火次加载会导致温升效应而超过Te，最终无法获得三态组织钛合金；若采用多火次加载，锻件在高温状态下反复加热其晶粒会发生异常长大的现象。而现有的研究表明，钛合金在α+β两相区常规多火次锻后，组织粗化不明显。西北工业大学在公开号为CN 102212745Α的发明专利中表明在局部加载成形过程中，预制坯加热温度为Te - (2(T10°C)，即近β锻造的变形温度区间，因此，近β锻造的可能出现的问题仍未解决。而哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中要求“初始组织为等轴α和β转变组织构成的双态组织”，而本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求，因此，本发明适用多种组织类型的近α钛合金。针对现有获得三态组织方法的不足之处，本发明提出了对近α钛合金经α+β两相区常规锻造后，再通过合理的热处理工艺获得三态组织的方法。
发明内容
为克服现有技术中存在的锻造温度区间接近β相转变温度Te，高温多火次加载晶粒易粗化，以及对初始组织为双态组织的限制的不足，本发明提出了一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法。本发明的具体工艺步骤为步骤一，α+β两相区锻造；将电阻炉加热至低于β转变点30 50°C ;将钛合金的坯料放入电阻炉中；电阻炉升温至低于β转变点30 50°C开始保温；保温时间为25 120min ;将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C;坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件；根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同；所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温，得到钛合金锻件；步骤二，第一次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点10 20°C;将得到的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点10 20°C后开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为a 马氏体；步骤三，第二次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点50 60°C;将组织为α 马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点50 60°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;保温时间为140min ;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α等轴+ α条片+ β转，即获得了三态组织。本发明将近α坯料在α+β两相区锻造，改善钛合金的初始组织，得到含有等轴α的等轴或双态组织，为后续的热处理工艺提供了组织形态上的准备，因此，本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求，适用多种初始组织类型的钛合金。同时，本发明中α+β两相区锻造温度区间比近β锻造范围更宽，加热温度更低，避开了近β锻造温度区间较窄，接近β相转变温度Te，高温多火次加载晶粒易粗化等问题。在后续热处理过程中，通过不同的热处理温度与冷却方式的组合，控制等轴α的含量，β转变基体上条状α的析出，最终得到三态组织钛合金。综上所述，针对现有钛合金获得三态组织方法的不足之处，本发明提出近α钛合金在α+β两相区锻造后，通过热处理获得三态组织的方法，为钛合金锻件获得三态组织提供了一种有效的工艺路径。
图I是近α钛合金锻造和热处理方法流程图。图2是实施例一中近α钛合金的初始组织图。图3是实施例一最后获得的三态组织图。
具体实施例方式实施例一本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺，所用近α坯料的β相转变温度为990°C，初始组织如图2所示。具体实施步骤为步骤一，α+β两相区锻造。将电阻炉温度加热至钛合金的α+β两相区温度，即低于β转变点30 50°C的温度范围，本实施例中，电阻炉温度为940°C，低于钛合金β转变温度50°C。当电阻炉的温度到达940°C后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至940°C开始保温；保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准；本实施例中保温时间为40min。同时，将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C的温度范围，本实施例模具加热到930°C，低于钛合金β转变点60。。。坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中，坯料的锻比为30%，采用单火次完成变形。所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;本实施例压下速度为O. 4mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温；本实施例采用空冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。步骤二，第一次热处理。 将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为975°C，低于钛合金β转变温度15°C。当电阻炉的温度到达975°C后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至975°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;本实施例两相区锻造前保温时间为40min，增加60min,即保温时间为IOOmin ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α 马氏体；步骤三，第二次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50 60°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为935°C，低于钛合金β转变温度55°C。当电阻炉的温度到达935°C后将经过步骤二得到的组织为α 马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至935°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;本实施例两相区锻造前保温时间为40min，增加70min，保温时间为IlOmin ;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α等轴+ α条片+ β转，即获得了三态组织。本实施例中，经过步骤一能够使得坯料变成锻件，原始组织中如果存在片状α相，片状α相就会发生扭曲，部分被破碎，发生一定程度球化，并且组织中储存大量的畸变能，为后续热处理中α相继续球化提供动力；在步骤二的第一次热处理中α相完全球化，并且冷却后等轴初生α相的含量在20%左右。后续的热处理使得钛合金锻件组织中形成一定含量的条片状α相和β转变组织。由此，通过以上热变形及热处理手段就可以获得由等轴α、条状α以及β转变基体组成的三态组织近α钛合金锻件。实施例二本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺，所用近α坯料的β相转变温度为990°C。具体实施步骤为步骤一，α+β两相区锻造。将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度，即低于β转变点30 5 (TC的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为950°C，低于钛合金β转变温度40°C。当电阻炉的温度到达950°C后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至950°C开始保温；保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准；本实施例中保温时间为30min。同时，将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C的温度范围，本实施例模具加热到940°C，低于钛合金β转变点 50。。。坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中，坯料的锻比为80%，采用两火次加载完成变形，并且每火次完成该坯料40%的锻比。所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;本实施例压下速度为O. 3mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温；本实施例采用水冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。步骤二，第一次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β 转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为980°C，低于钛合金β转变温度10°C。当电阻炉的温度到达980°C后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;本实施例两相区锻造前保温时间为30min，增加60min,即保温时间为90min ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α 马氏体；步骤三，第二次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50 60°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为940°C，低于钛合金β转变温度50°C。当电阻炉的温度到达940°C后将经过步骤二得到的组织为α 马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;本实施例两相区锻造前保温时间为30min，增加90min，保温时间为120min ;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α等轴+ α条片+ β转，即获得了三态组织。实施例三本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺，所用近α坯料的β相转变温度为1000°C。具体实施步骤为步骤一，α+β两相区锻造。将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度，即低于β转变点30 5 (TC的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为970°C，低于钛合金β转变温度30°C。当电阻炉的温度到达970°C后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至970°C开始保温；保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准；本实施例中保温时间为25min。同时，将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C的温度范围，本实施例模具加热到960°C，低于钛合金β转变点40°C。坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中，坯料的锻比为85%，采用两火次加载完成变形，并且每火次完成该坯料42. 5%的锻比。所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;本实施例压下速度为O. 2mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温；本实施例采用空冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件。步骤二，第一次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为980°C，低于钛合金β转变温度20°C。当电阻炉的温度到达980°C后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;本实施例两相区锻造前保温时间为25min，增加60min,即保温时间为85min ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α 马氏体；步骤三，第二次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50 60°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为940°C，低于钛合金β转变温度60°C。当电阻炉的温度到达940°C后将经过步骤二得到的组织为α 马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;本实施例两相区锻造前保温时间为25min，增加60min，保温时间为85min ;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α等轴+ α条片+ β转，即获得了三态组织。实施例四
本实施例是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺，所用近α坯料的β相转变温度为1000°C。具体实施步骤为步骤一，α+β两相区锻造。将电阻炉温度设定为钛合金的α+β两相区温度，即低于β转变点30 5 (TC的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为955°C，低于钛合金β转变温度45°C。当电阻炉的温度到达955°C后将坯料放入电阻炉中。电阻炉升温至955°C开始保温；保温时间依据HB/Z199-2005所述保温时间标准；本实施例中保温时间为120min。同时，将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C的温度范围，本实施例模具加热到945°C，低于钛合金β转变点55。。。坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件。根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同。本实施例中，坯料的锻比为55%，采用单火次加载完成变形。所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;本实施例压下速度为O. 3mm/s。变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温；本实施例采用水冷方式使钛合金冷却到室温。得到钛合金锻件；步骤二，第一次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点10 20°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为980°C，低于钛合金β转变温度20°C。当电阻炉的温度到达980°C后将经过步骤一得到的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至980°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;本实施例两相区锻造前保温时间为120min，增加60min，即保温时间为ISOmin ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α 马氏体；步骤三，第二次热处理。将电阻炉温度设定为低于钛合金β转变点50 60°C的温度范围，本实施例中，设定电阻炉温度为940°C，低于钛合金β转变温度60°C。当电阻炉的温度到达940°C后将经过步骤二得到的组织为α 马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中。电阻炉升温至940°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;本实施例两相区锻造前保温时间为120min，增加80min，保温时间为200min ;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α等轴+ α条片+ β转，即获得了 三态组织。
权利要求
1. 一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法，其特征在于，具体过程包括以下步骤 步骤一，α+β两相区锻造； 将电阻炉加热至低于β转变点30 50°C ;将钛合金的坯料放入电阻炉中；电阻炉升温至低于β转变点30 50°C开始保温；保温时间为25 120min ;将模具加热至低于钛合金β转变点40 60°C;坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件；根据该坯料的锻比确定锻造火次若该坯料的为锻比< 70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同；所述变形压下速度为O. 2 O. 4mm/s ;变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温，得到钛合金锻件； 步骤二，第一次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点10 20°C;将得到的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点10 20°C后开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min ;保温结束后在IOs内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α 马氏体； 步骤三，第二次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点50 60°C ;将组织为α等#+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点50 60°C开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60 90min ;保温时间为140min;保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α # + α ^ + β ，即获得了三态组织。
全文摘要
一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法，将近α坯料在α+β两相区锻造，改善钛合金的初始组织，得到含有等轴α的等轴或双态组织，为后续的热处理工艺提供了组织形态上的准备。本发明中α+β两相区锻造温度区间比近β锻造范围更宽，加热温度更低，避开了近β锻造温度区间较窄，接近β相转变温度Tβ，高温多火次加载晶粒易粗化等问题。在后续热处理过程中，通过不同的热处理温度与冷却方式的组合，控制等轴α的含量，β转变基体上条状α的析出，最终得到三态组织钛合金。本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求，适用多种初始组织类型的钛合金，在α+β两相区锻造后通过热处理获得三态组织，为钛合金锻件获得三态组织提供了一种有效的工艺路径。
文档编号C22F1/18GK102758158SQ20121027325
公开日2012年10月31日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者孙志超, 曹欣, 杨合 申请人:西北工业大学