一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法与流程

一种复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法
技术领域
1.本发明是一种复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法，属于金属材料制备领域。


背景技术：

2.随着新型航空发动机对高温钛合金材料服役性能的要求不断提高，更优力学性能的高温钛合金结构材料亟需被开发。作为ti
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al
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nb合金体系之一的含o相ti2alnb合金由于其所具有的较低密度、高比强度、优异高温力学性能等特点，可以满足新型航空发动机的高标准性能要求，被列为650℃以上高温结构材料的重要选材之一。
3.650℃以上热强性能是ti2alnb合金关注的重要性能指标之一，在ti
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al
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nb合金体系已有研究分别添加w、si、ta等合金元素进行综合力学性能优化的开发研究工作，对提升ti2alnb合金的综合力学性能具有明显效果。


技术实现要素：

4.本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法，该方法是针对多元素的复合合金化ti2alnb合金而设计的配套热处理工艺，其目的是充分发挥多合金元素强化效果，进一步平衡其强度和塑性性能指标。
5.为实现上述目的，本发明技术方案的内容如下：
6.该种复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法中所述的ti2alnb合金的化学成分及原子百分比为：al 20％～25％，nb 20％～25％，w+si+ta 0.5％～2.5％，余量为ti，该方法的步骤如下：
7.步骤一、ti2alnb合金热处理前状态要求与验证；
8.待热处理前的ti2alnb合金坯料为α2+β/b2两相区热加工特征组织，其中具有不少于5％体积分数的等轴α2相及β/b2相转变基体组织，该坯料的最后一次热加工塑性变形量应达到20％～50％；
9.步骤二、ti2alnb合金热处理前相变点测试与评估；
10.对ti2alnb合金坯料进行相变点测定，测试三个关键相变点温度，分别为：β/b2
→
α2+β/b2相变点温度为t1，α2+β/b2
→
α2+β/b2+o相变点温度为t2，α2+β/b2+o
→
β/b2+o相变温度为t3；
11.步骤三、第一阶段α2+β/b2两相区固溶热处理；
12.以t1
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30℃～t1
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50℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间t1 min，(0.5d
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30)min≤t1≤(0.5d+30)min，d为ti2alnb合金坯料的最小截面尺寸，单位mm，固溶热处理后采用水冷、油冷或风冷方式快速冷却至室温；
13.步骤四、第二阶段α2+β/b2+o三相区循环热处理；
14.以t3+10℃～t2
‑
20℃为热处理温度范围进行循环热处理，过程是将ti2alnb合金坯料将加热至t2
‑
20℃，保温时间10～20h，炉冷至t3+10℃，保温10～20h，再次加热至t2
‑
20
℃，重复上述操作2个周次以上后空冷至室温；
15.步骤五、第三阶段β/b2+o两相区稳定化时效处理；
16.以700℃～850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，该稳定化时效处理温度不得高于t3，保温时间为20～30h，完成后空冷至室温。
17.在实施中，步骤二中所述相变点测定的方法是将数个材料样品加热至1150℃保温1h后，再将材料样品分别放在更低温度保温1h后水冷，所述更低温度为1150℃以下的依次间隔10～20℃的温度点，然后根据各类型相的相变确定相变点温度。
18.本发明技术方案的特点及有益的技术效果为：
19.1、本发明技术方案通过三个阶段的热处理工艺设计和组合，可以充分发挥合金化对ti2alnb合金的强化效果，获得均匀的复相基体组织，并平衡强度和塑性性能指标，获得优异的综合力学性能，对ti2alnb合金的微观组织调控和性能优化具有重要的工程应用价值。
20.2、本发明技术方案利用ti2alnb合金的相变规律和合金化特点，使用常规热处理炉即可完成，在实际应用中具有较高的可行性和广泛的适用性。
附图说明
21.图1为本发明实施中的热处理前的ti2alnb合金坯料棒材金相组织
22.图2为本发明实施中的热处理后的ti2alnb合金块状β/b2相转变基体组织
具体实施方式
23.以下将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
24.本实施例以ti6242钛合金的120℃保载疲劳性能评估为例，实测120℃时ti6242钛合金在650mpa下的保载疲劳寿命失效周期超过10万周次(未断，终止测试)，单个试样测试周期长达141.2天，单个试样测试成本超过40万元，采用本发明所设计的多重强化热处理方法的步骤如下：
25.一、ti2alnb合金热处理前状态要求与评估：
26.确认待热处理ti2alnb合金为多合金元素复合化类型ti2alnb合金，该ti2alnb合金的化学成分及原子百分比为：al 21.5％，nb 20.9％，w+si+ta 1.3％，余量为ti；
27.热处理前的ti2alnb合金坯料为α2+β/b2两相区热加工特征组织，如图1所示，具有8％体积分数的等轴α2相及β/b2相转变基体组织，最后一次热加工塑性变形量30％；
28.二、对ti2alnb合金坯料进行综合相变点测定，将相变点材料样品集中加热至1150℃保温1h后分别在更低温度保温1h后水冷，温度选取的间隔10～20℃，根据各类型相形成规律判断相转变温度，测试三个关键相变点温度，其中β/b2
→
α2+β/b2相变点温度t1为1090℃，α2+β/b2
→
α2+β/b2+o相变点温度t2为990℃，α2+β/b2+o
→
β/b2+o相变温度t3为930℃；
29.三、第一阶段α2+β/b2两相区固溶热处理：
30.以1050℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间120min，热处理后可采用风冷方式快速冷却至室温；
31.四、第二阶段α2+β/b2+o三相区循环热处理：
32.以940℃～970℃为热处理温度范围进行循环热处理，即将合金坯料加热至970℃，
保温时间12h，炉冷至940℃，保温保温时间12h，再次加热至970℃，重复相同保温温度和保温时间，循环2个周次，完成后空冷至室温；
33.五、第三阶段β/b2+o两相区稳定化时效处理：
34.以850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，保温时间24h，完成后空冷至室温。热处理后的ti2alnb合金块状β/b2相转变基体组织如图2所示。


技术特征：
1.一种复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法，其特征在于：所述ti2alnb合金的化学成分及原子百分比为：al 20％～25％，nb 20％～25％，w+si+ta 0.5％～2.5％，余量为ti，该方法的步骤如下：步骤一、ti2alnb合金热处理前状态要求与验证；待热处理前的ti2alnb合金坯料为α2+β/b2两相区热加工特征组织，其中具有不少于5％体积分数的等轴α2相及β/b2相转变基体组织，该坯料的最后一次热加工塑性变形量应达到20％～50％；步骤二、ti2alnb合金热处理前相变点测试与评估；对ti2alnb合金坯料进行相变点测定，测试三个关键相变点温度，分别为：β/b2
→
α2+β/b2相变点温度为t1，α2+β/b2
→
α2+β/b2+o相变点温度为t2，α2+β/b2+o
→
β/b2+o相变温度为t3；步骤三、第一阶段α2+β/b2两相区固溶热处理；以t1
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30℃～t1
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50℃为热处理温度范围进行固溶热处理，保温时间t1 min，(0.5d
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30)min≤t1≤(0.5d+30)min，d为ti2alnb合金坯料的最小截面尺寸，单位mm，固溶热处理后采用水冷、油冷或风冷方式快速冷却至室温；步骤四、第二阶段α2+β/b2+o三相区循环热处理；以t3+10℃～t2
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20℃为热处理温度范围进行循环热处理，过程是将ti2alnb合金坯料将加热至t2
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20℃，保温时间10～20h，炉冷至t3+10℃，保温10～20h，再次加热至t2
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20℃，重复上述操作2个周次以上后空冷至室温；步骤五、第三阶段β/b2+o两相区稳定化时效处理；以700℃～850℃为热处理温度范围进行稳定化时效处理，该稳定化时效处理温度不得高于t3，保温时间为20～30h，完成后空冷至室温。2.根据权利要求1所述的复合合金化ti2alnb合金多重强化热处理方法，其特征在于：步骤二中所述相变点测定的方法是将数个材料样品加热至1150℃保温1h后，再将材料样品分别放在更低温度保温1h后水冷，所述更低温度为1150℃以下的依次间隔10～20℃的温度点，然后根据各类型相的相变确定相变点温度。

技术总结
本发明是一种复合合金化Ti2AlNb合金多重强化热处理方法，该方法是针对含W、Si、Ta的新型Ti2AlNb合金在两相区热加工制备获得初始坯料后，通过第一阶段固溶热处理、第二阶段循环热处理和第三阶段稳定化时效热处理后，获得等轴α2相和块状B相+O相的混合多相特征组织，可以同时获得强度和塑性的良好匹配。本发明通过在复合合金化Ti2AlNb合金应用多重热处理工序，完成微观组织调控和优化，可以明显提高Ti2AlNb合金的强度力学性能，同时保证其具有较好塑性。较好塑性。较好塑性。


技术研发人员：张明达 曹京霞 黄旭
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2021/12/30