一种快速时效硬化亚稳β钛合金的制备方法

本发明涉及一种快速时效硬化亚稳β钛合金的制备方法，属于金属制造领域。

背景技术：

1、对于用于制造大型结构部件的工程合金来说，在厚截面上实现构件均匀硬化的能力(即淬透性)是一个至关重要的需求。从工业应用角度出发，通常定义深淬透性合金为能够在100mm厚的截面上保持约95％的抗拉强度(uts)的合金。亚稳β-钛合金因其优异的综合力学性能特别是其高比强度与成型性，在航空航天领域具有广阔的应用前景，同时在各类钛合金中被认为具有最佳的深度淬透性。亚稳β-ti合金经淬火-人工时效处理后，大量hcp结构的次生α相从bcc基体中析出、可大幅提升合金强度。时效后，合金强度、塑性和韧性间的匹配和协调与α相的析出情况密切相关。从此方面来说，控制α析出相的大小、密度、形态和分布非常重要，而这在很大程度上则取决于α相的形核机制。除了常规的均匀形核外，α相的异质形核也可以发生在晶界、位错或ω、β′、o′或o″等各种位置。在过去的几十年里，已有大量研究集中在此方面，主要包括改变化学成分和/或热处理制度，以获得理想的细小弥散分布的α微观结构。

2、当前，在多种亚稳β型ti合金的工业应用中，均基于ω辅助α成核这一机制以优化析出相的尺寸、密度与分布。通常，人工时效过程中的相变序列遵循ωath→ωiso→α的特定顺序。然而，上述制备加工方法在当前的实际应用中仍存在一些不足，一方面，考虑到各种α和β稳定元素在α相成核过程中的元素分配扩散过程，仍然需要一段超长的时间，导致多数亚稳β-钛合金的时效硬化动力学异常缓慢，如达到峰值时效一般需要数十个小时，且双级时效工艺的使用亦增加了工艺复杂性与制备成本、不利于可持续发展。但如若采用简单的单级等温均匀化热处理制度，α相的析出通常较为粗大、长度可达到数十微米，且其数量密度较低，不利于合金力学强度的整体提升。另一方面，当固溶状态β-钛合金在低温区间短时退火时，大量等温ω的形成与快速粗化使材料显著脆化，延伸率几乎损失殆尽，这在较大程度上限制了亚稳β-钛合金在固溶状态及低温退火态下应用的可能性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术无法快速制备均匀亚稳β-钛合金的问题，提供一种快速时效硬化亚稳β钛合金的制备方法；该方法旨在满足组织中α析出相细小弥散分布的前提下，解决析出动力学慢的问题，优化工艺、进而提升合金力学强度。对固溶处理后ti-v-cu合金进行室温预变形以及人工时效处理，通过预应变引入的滑移带和位错：一方面通过位错的管扩散机制加速元素扩散、促进相分离过程；另一方面，通过滑移带周围区域的局部应力集中诱导人工时效早期实现bcc→hcp结构的形核。在此情况下，析出速度得以大幅加快、析出序列得到调控，α不再依靠ω辅助形核，等温ω相对塑性的损害也得以显著减轻。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、一种快速时效硬化亚稳β钛合金的制备方法，

4、本发明提供一种提高航空航天ti-v-cu合金结构件材料时效硬化速率的预处理方法，包括：先将ti-v-cu合金材料加热至固溶温度t1并保温时长t1，其中，800℃≤t1≤950℃，5min≤t1≤60min，随后在间隔不超过1min内直接水淬或空冷获得固溶态样品；冷却到室温开展预变形(拉伸/压缩/轧制)，变形量1-10％，随后加热至t2温度进行人工时效硬化处理t2时长，其中，400℃≤t2≤600℃，1min≤t2≤24h，。

5、优选的，淬火冷却为15-25℃的水淬处理。

6、优选的，人工时效硬化处理其温度为450～550℃，时间为1min～24h。

7、优选的，快速时效硬化ti-v-cu基合金结构件，由以下成分组成：v:10-25wt.％、cu:0.1-6wt.％，余量为商业纯ti和不可避免的杂质，杂质含量小于0.02％。

8、优选的，亚稳β钛合金材料采用真空熔炼方式制备，固溶处理前为热轧板材/锻造件，热轧/锻造温度为720-900℃之间，总压下量在70-90％之间。

9、有益效果：

10、(1)本发明公开的加工制备方法，一方面能够有效促进高密度α相形核的析出动力学，另一方面能够有效抑制时效初期ωiso形成与粗化，从而制备出高强塑性的大型结构件，其力学性能媲美当前双级时效工艺制备的构件，满足工业要求，保证其用于制造中大型零件时的安全性。

11、(2)与采用传统的固溶+单级/双级时效钛合金中大型结构件相比，本发明公开的一种高强塑性亚稳β钛合金大型结构件的制备方法，一能够实现快速设计迭代，节省反复热处理、冷却所耗费的时间而缩短研发周期；二预变形能够减少后续加工需求，快速高效的同时节约了原材料和制造成本，大大减少工业污染的排放量。

12、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种快速时效硬化亚稳β钛合金及其制备方法，其特征在于：采用真空感应熔炼方法制备ti-v-cu基合金结构件，处理方法为：先对材料进行均匀化热处理及后续热轧或热锻造；后将ti-v-cu合金材料加热至固溶温度t1并保温时长t1，其中，800℃≤t1≤950℃，5min≤t1≤60min，随后在间隔不超过1min内直接水淬或空冷获得固溶态样品；冷却到室温开展预变形以保证在后续时效过程中快速析出α相，变形量1-10％，随后快速加热至t2温度进行人工时效硬化处理t2时长，其中，400℃≤t2≤600℃，1min≤t2≤24h。

2.如权利要求1所述的一种根据权利要求1所述的快速时效硬化ti-v-cu基合金及其制备方法，其特征在于：水淬的温度为15-30℃。

3.如权利要求1所述的一种快速时效硬化ti-v-cu基合金及其制备方法，其特征在于：所述人工时效为在450℃-550℃区间时效1min-24h。

4.如权利要求1所述的一种快速时效硬化ti-v-cu基合金及其制备方法，其特征在于：添加量为v:10-25wt.％、cu:0.1-6wt.％，余量为纯ti和不可避免的杂质，杂质含量小于0.02％。

技术总结
本发明涉及一种快速时效硬化亚稳β钛合金的制备方法，属于金属制造领域。本发明的目的在于满足组织中α析出相细小弥散分布的前提下，解决析出动力学慢的问题，进而优化工艺、进而提升合金力学强度。对固溶处理后Ti‑V‑Cu合金进行室温预变形以及人工时效处理，通过预应变引入的滑移带和位错：一方面通过位错的管扩散机制加速元素扩散、促进相分离过程；另一方面，通过滑移带周围区域的局部应力集中介导在人工时效早期实现bcc→hcp结构的形核。在此情况下，析出速度得以大幅加快、析出序列得到调控，α不再依靠ω辅助形核，等温ω相对塑性的损害也得以显著减轻。

技术研发人员：徐舜,潘士伟,范群波,杨林,张飞
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16