一种降低热轧tc4钛合金绝热剪切敏感性的快速热处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的快速热处理方法。具体工艺为：在热轧双态组织TC4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结(Spark?Plasma?Sintering，SPS)设备(SPS-3.20-MV型)中进行热处理，处理后的材料相对于原始热轧板材在动态加载条件下的临界断裂应变值提高了53％以上，材料发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值提高了54％以上。其优点在于：利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现热处理，具有升温速度快、热处理时间短等特点，是一种能够显著改善金属材料塑性变形能力的低成本、高效率的热处理工艺，为未来钛合金的显微组织调控提供了新的工艺方法。
【专利说明】一种降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的快速热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种针对热轧TC4钛合金的热处理工艺，属于装甲防护材料领域。
【背景技术】
[0002]装甲防护是提高装甲车辆及人员在现代及未来战场上生存力的有效手段。在保持一定装甲防护能力的基础上减小装甲车辆的战斗全重，是提高作战车辆机动性和快速反应能力的一种有效手段。钛合金具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能好等特点，是较为理想的轻质装甲材料。在防护性能相当的情况下，钛合金装甲的重量比装甲钢轻25%。装甲防护材料在使用时主要承受高速冲击载荷，而钛合金在高速变形时极易发生绝热剪切破坏，因此，要将钛合金应用于装甲防护领域，就必须解决钛合金绝热剪切敏感性过高的问题。在合金成分和形变工艺一定的情况下，研究人员通常采用热处理的方法改变钛合金的显微组织特征，从而实现对钛合金力学性能和绝热剪切敏感性的调控。大量研究表明，固溶时效、退火及再结晶热处理等传统热处理方法对钛合金力学性能及抗绝热剪切破坏能力的改善作用十分有限。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是一种集等离子活化、电阻加热、热压为一体的新的烧结方法，具有升温速度快、烧结时间短等诸多优点。本发明将SPS技术应用于热轧TC4钛合金的热处理，可以显著提高金属材料的塑性变形能力，为未来钛合金显微组织及绝热剪切敏感性的调控提供了新的工艺方法。
【发明内容】
[0003]为了进一步改善TC4钛合金作为装甲防护材料使用时的力学性能，提高其抗绝热剪切破坏的能力，本发明提供了一种特殊的热处理工艺。
[0004]本发明所采用的材料是热轧双态组织TC4钛合金，所采用的技术方案是:利用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)设备(SPS-3.20-MV型)对热轧后的TC4钛合金进行热处理，该方案的具体步骤如下:
[0005]在热轧后的TC4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到800°C~1100°C，升温速率为IOO0C /min左右；温度升到800°C~1100°C后开始保温，保温时间为5min~20min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图为SPS设备的基本结构【具体实施方式】[0007]以下结合四个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明。但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下的全部技术方案，因此不能理解为对本发明技术方案的限定。一些不偏离本发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明权利保护范围。
[0008]实施例1
[0009]本案例所述的针对热轧双态组织TC4钛合金的热处理方法包括以下步骤:
[0010]在热轧TC4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到800°C，升温速率为100°C /min左右；温度升到800°C后开始保温，保温时间为20min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
[0011]将材料从设备中取出，对材料进行准静态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后室温下的抗压强度为1350MPa，相比热轧TC4钛合金提高了 11%;对材料进行动态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后临界断裂应变值为21.9%，相比热轧TC4钛合金提高了 77%，合金发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值为248J/cm3，相比热轧TC4钛合金提高了 76%。
[0012]实施例2
[0013]本案例所述的针对热轧双态组织TC4钛合金的热处理方法包括以下步骤:
[0014]在热轧TC4钛合金 板材上取料，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到900°C，升温速率为100°C /min左右；温度升到900°C后开始保温，保温时间为15min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
[0015]将材料从设备中取出，对材料进行准静态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后抗压强度为1300MPa，相比热轧TC4钛合金提高了 7%。对材料进行动态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后临界断裂应变值为19.3%，相比热轧TC4钛合金提高了 56%，合金发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值为231J/cm3，相比热轧TC4钛合金提高了 64%。
[0016]实施例3
[0017]本案例所述的针对热轧双态组织TC4钛合金的热处理方法包括以下步骤:
[0018]在热轧TC4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到1000°C，升温速率为100°C /min左右；温度升到1000°C后开始保温，保温时间为5min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
[0019]将材料从设备中取出，对材料进行准静态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后抗压强度为1220MPa，相比热轧TC4钛合金提高了 0.2%。对材料进行动态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后临界断裂应变值为
19%，相比热轧TC4钛合金提高了 53%，合金发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值为217J/cm3，相比热轧TC4钛合金提高了 54%。
[0020]实施例4
[0021]本案例所述的针对热轧双态组织TC4钛合金的热处理方法包括以下步骤:
[0022]在热轧TC4钛合金板材上取料，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到1100°C，升温速率为100°C /min左右；温度升到1100°C后开始保温，保温时间为5min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
[0023]将材料从设备中取出，对材料进行准静态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后抗压强度为1240MPa，相比热轧TC4钛合金提高了 2%。对材料进行动态压缩力学性能测试，结果表明，该热轧TC4钛合金经热处理后临界断裂应变值为21.5%，相比热轧TC4钛合金提高了 73%，合金发生绝热剪切破坏前单位体积吸收的能量值为239J/cm3，相比热轧TC4钛合金提高了 70%。
【权利要求】
1.一种降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的快速热处理方法，其特征在于:利用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)设备(SPS-3.20-MV)对热轧双态组织TC4钛合金进行热处理，其方法包括如下步骤:在热轧TC4钛合金板材上取样，放入放电等离子烧结设备中，采用12:2的通断比，使脉冲电流通过材料，材料被迅速加热，通过调节脉冲电流的大小来控制实验过程中的升温速率和加热温度。其中，温度上升阶段为从室温上升到800°C~1100°C，温度升到800°C~1100°C后开始保温，保温时间为5min~20min，然后断电，材料随炉冷却至200°C后再开炉空冷至室温，取出材料。
2.根据权利要求1所述的降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的热处理方法，其特征在于:热处理所采用的原始材料为930°C热轧后的TC4钛合金板材，其显微组织特征为双态组织。
3.根据权利要求1所述的降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的热处理方法，其特征在于:利用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering, SPS)设备(SPS-3.20-MV)对材料进行热处理，升温速率为100°C /min，整个过程在IOPa的中度真空环境下进行。
4.根据权利要求1所述的降低热轧TC4钛合金绝热剪切敏感性的热处理方法，其特征在于: 相对于原始热轧TC4钛合金板材,热处理后的材料在动态加载条件下的临界破坏应变提高了 53%以上，材料发生绝热剪切破坏前的单位体积吸收功提高了 54%以上。
【文档编号】C22F1/18GK104018106SQ201410276704
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】刘金旭, 高伶俐, 李树奎, 骆雨萌, 王富耻 申请人:北京理工大学