一种提高含铜钛合金强度和塑性的加工方法与流程

本发明属于含铜钛合金型材的制造领域，涉及一种显著提高含铜钛合金强度和塑性的加工方法。

背景技术：

包括钛铜合金在内的钛合金由于优异的耐腐蚀性能，广泛应用于工业领域，特别是化工、海洋和生物材料。但是在使用的过程中，除了希望良好的耐蚀性能，同时希望具有高强度和高塑性的特点。

含铜钛合金是一种可以通过含铜相弥散强化和第二相强化的钛合金。为了提高其强度，往往进行固溶和时效的热处理方法，在钛合金中析出大量弥散分布的含铜第二相，例如ti2cu相，起到强化的效果。在这一过程中，固溶处理由于处理温度高，使得经过前道加工工序获得的细小基体晶粒尺寸显著长大，降低了合金的塑性和屈服强度。因此，采用常规的加工工艺在获得高强度的同时，合金的塑性明显下降，因此无法获得高强和高塑性兼备的钛合金。

如何充分发挥含铜钛合金的潜能，开发出高强度和高塑性的钛合金就成为一个难题。

技术实现要素：

合金材料的强化途径主要有固溶强化、相变强化、弥散强化、第二相强化和细晶强化等几种途径。按照这些规律，增加钛合金中合金元素在基体中固溶含量、或者通过相变的方式提高合金中高强度相的比例、或者在合金基体中形成大量的纳米级弥散相，或者增加高强度第二相体积分数或者细化基体的晶粒尺寸都可以获得高强度。而合金的塑性一般随着合金的强化变差，但是随合金的晶粒尺寸细化而变好。因此，在获得各种强化的同时，获得细小的晶粒尺寸是提高包括钛合金在内合金材料强度和塑性的有效途径。

对于现有的钛合金，通常都是通过相变强化和细晶强化来实现高强度和高塑性，例如增加变形量，获得细晶效果，不仅可以获得高强度，同时也可以获得高塑性。最为典型的例子就是大变形或者等径角挤压工艺，还有就是通过在两相区进行热处理，获得细小的α-ti，达到相变强化的效果。

铜元素在钛基体中的固溶度变化比较大，例如在β-ti中的最大固溶度可以达到30％，而在室温时其固溶度将很小，不到1％。因此，就有可能通过固溶和时效的工艺，在含铜钛合金中析出细小弥散的含铜第二相，比如ti2cu相，达到弥散强化和第二相强化的效果，显著提高含铜钛合金的强度。这一点不同于现有钛合金，例如纯钛、ti-6al-4v等。含铜第二相强化钛合金为了实现高强度和抗菌的效果，就必须首先将铜元素过饱和固溶于钛合金基体中，随后的人工时效才能够使铜以细小的含铜相析出，以发挥提高强度和赋予抗菌性能的作用。但是采用常规的固溶时效热处理过程，尽管时效析出的钛铜第二相可以显著提高钛合金的强度，但是基体的晶粒尺寸在固溶处理的过程中显著增大，显著地降低合金的塑性。因此采取适当的加工工艺，在保障各种强化措施的同时，保证基体的晶粒尺寸不增大或者增大很少是提高钛合金强度和塑性的基本思路。

本发明的目的在于提供一种可以同时提高含铜钛合金的强度和塑性的加工方法。该方法分为四个步骤。

第一步，高温热处理。将初加工后的含铜钛合金在铜元素相变点温度以上，保温一段时间，然后快速冷却至室温。使合金中铜元素完全固溶于钛基体中，形成过饱和固溶体。铜元素的相变点温度是指含铜钛合金中铜元素固溶于钛基体的温度。这个温度随合金中铜含量的变化而变化，当合金中的铜含量小于7wt％时，温度随着铜含量的增加而降低，当合金中的铜含量介于7-17.2wt％时，温度随着铜含量的增加而增加。一般就钛-铜二元合金体系，固溶温度范围在790℃-1250℃。合金成分不同，相变点温度就不同，因此需要根据钛合金的铜含量确定该合金的铜元素相变点温度，然后再选择高温热处理的温度。高温热处理温度越高，铜元素溶解于钛基体的速度越快，铜在钛基体中的固溶度也越高。但是热处理温度高也会带来钛合金晶粒尺寸的显著增大，因此在保障铜元素完全固溶的前提下，热处理温度越低越好。保温时间的长短也取决于合金中铜含量、含铜相的数量和大小以及构件的大小。铜含量越高、含铜相的数量越多和尺寸越大、构件厚度越大，铜元素完全固溶于钛基体中所需的时间就越长，因此保温的时间就越长。高温固溶热处理之后，需要将钛合金快速冷却至室温，以保证铜元素完全以固溶原子的形式固溶于钛合金基体中。冷却的方式包括水冷和气冷。

具体，当钛合金中铜含量不超过重量百分数17.2％时，高温固溶热处理的温度控制在790-1200℃，保温时间不超过24小时。

进一步，当钛合金中铜含量不超过重量百分数7％时，高温热处理的温度控制在790-1200℃，保温时间不超过16小时。

第二步，低温热处理。将高温热处理后的含铜钛合金在低温下保温一段时间，然后冷却至室温。经过快速冷却的高温热处理钛合金构件，内部会存在很多由于冷却造成的应力，这些应力不能够缓慢地释放，就会在后续的低温变形过程中形成裂纹源，导致变形开裂。此外，经过高温热处理和快速冷却后，铜元素过饱和固溶于钛基体中，处于不稳定状态。低温热处理的温度高，应力消除的快，但是析出含铜第二相的可能性也大。含铜第二相的出现会阻碍钛合金后续的冷变形，因此低温热处理要避免含铜第二相的析出。低温热处理的时间长短也取决于合金构件的复杂程度，合金构件越复杂，快速冷却过程中形成的应力就越大，低温热处理时间就需要延长。在保证不析出含铜相的情况下，适当延长低温热处理的时间，可以最大限度地消除构件中的残余应力。

此外，低温热处理还可以调整了合金中铜元素在基体中的分布，使铜元素在某些特殊部位富集，但是又不析出含铜第二相，保证了合金良好的低温变形性能，有利于低温变形工序的进行，同时，促使局部变形加剧，达到增加细化效果，获得细小晶粒尺寸。

一般地，低温热处理温度不超过400℃，处理时间不超过72小时。

有些情况下，当试验件比较小，冷却速度比较小的情况下，实验件的应力不影响后续的冷变形；或者铜含量比较高时，高温热处理和冷却过程中，已经发生铜元素的局部富集，此时，低温热处理工步可以省去，并不会影响本专利的实施。

第三步，低温变形处理。将经过高温固溶处理和低温热处理后的含铜钛合金进行低温变形，充分细化基体组织，形成微米、亚微米或纳米的晶粒尺寸。变形量越大，变形温度越低，形成的晶粒尺寸越细小。但是有些钛合金的低温变形能力比较差，可以适当提高冷变形的温度，减少每次的变形量。低温变形可以采用一次大变形达到变形量要求，也可以通过多道次变形达到变形量的要求。

一般地，冷变形的温度不超过400℃，变形量不小于10％。

进一步，冷变形温度不超过200℃，变形量不小于30％

更进一步，冷变形温度不超过室温。

进一步，变形量优选30-90％。

第四步，中温热处理。在此过程中，含铜第二相从基体中以纳米相快速析出，起到弥散强化效果，同时，基体保持细晶的特点。中温热处理温度和时间会影响到含铜相析出的速度以及随后的长大。热处理的温度越高，含铜相析出的速度越快，析出相长大的趋势也越大，甚至会导致晶粒尺寸的长大，析出相粗化现象，弥散强化的效果就变弱；晶粒尺寸长大，合金的塑性就要降低。热处理的时间越长，含铜相析出的数量越多，强化效果越好，但是温度高且时间长也可能导致晶粒尺寸的粗化，降低强度和塑性。

一般地，中温热处理温度不超过700℃，保温时间不超过48小时。

进一步，中温热处理的温度不超过500℃，保温时间不超过24小时。

经过上述处理，含铜钛合金不仅具有微米、亚微米或纳米尺寸的晶粒尺寸(图1所示为实施例3的细晶钛合金亚微米晶粒尺寸)，而且具有高密度的、弥散分布的纳米级别含铜析出相(图2所示为实施例3的含铜钛合金中纳米含铜析出相)。这些微米、亚微米或纳米尺度的基体晶粒尺寸不仅保障钛合金高强度和高塑性，而微米、纳米级别的含铜析出相可以显著地强化钛合金，从而获得高强度和高塑性的含铜钛合金。

所述工艺适合所有的含铜钛合金，包括但不限于含铜的二元钛合金，含铜三元钛合金，含铜四元钛合金以及含铜五元钛合金。

所述含铜钛合金中的铜含量不超过重量百分数40％。

进一步，含铜钛合金中的铜含量不超过重量百分数17.2％。

更进一步，最佳的铜含量不超过重量百分数7％。

本发明的有益效果是：

本发明在常规的固溶时效热处理制度间增加了低温热处理和低温变形处理工艺，使含铜钛合金既具有微米，亚微米或纳米含铜相产生的弥撒强化效果，又具有微米、亚微米或纳米基体晶粒尺寸确保的基体良好塑性，因此，将细晶强化和弥散强化结合在一起使钛合金在不降低塑性的同时显著提高了合金的强度。

附图说明

图1所示为实施例3的细晶钛合金亚微米晶粒尺寸；

图2所示为实施例3的含铜钛合金中纳米含铜析出相。

具体实施方式

实施例1

按照成分设计的要求熔炼含铜钛合金，可以采用自耗电弧炉、感应熔炼或者自耗电极等方法熔炼并制备成铸锭。为了达到合金成分均匀，可以采用多次熔炼，确保合金成分宏观均匀性。然后采用热轧变形工艺，将实验钛合金铸锭变形成为棒材或者板材。在本实施实例中，选择变形成为一定厚度的板材，作为原始母材。

然后将该原始母材，按照表1所述的工艺参数进行不同的加工，形成实验材料。拉伸力学性能按照国家标准gb/t228.1-2010金属材料拉伸试验方法，实验在经过标定的拉伸机上进行，拉伸速度为1mm/min。然后按照标准计算拉伸屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率。试验中变形量定义为板材厚度减少量与原始厚度的百分比。如加工工艺简称：高温900℃处理1h后快速水冷，然后低温200℃处理10h，然后在室温下，进行低温变形，变形量为20％，最后中温热处理在500℃处理24h，简记：900℃/1h+水冷+200℃/10h+室温变形量20％+500℃/24h。

表1中同时给出了常规加工工艺下几种钛合金材料的力学性能。

表1含cu钛合金的加工工艺与拉伸力学性能