一种TC4钛合金热处理方法及其应用与流程

本申请涉及钛合金，尤其涉及一种tc4钛合金热处理方法及其应用，主要适用于特定要求的钛合金及零部件的真空热处理。

背景技术：

1、tc4钛合金是一种常见的钛合金，也被称为6-4钛合金，是由6%的铝（al）和4%的钒（v）组成，其余为钛（ti），具有轻质、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域。

2、tc4钛合金常用的热处理方法包括：退火处理、固溶处理和时效处理。其中，退火处理适用于所有的钛合金，能够消除钛合金的内应力、提高塑性和组织稳定性；此外，钛合金也采用时效处理，时效处理包括高温固溶淬火，然后在中温下进行时效，时效处理一般适用于β型钛合金和α-β型钛合金。

3、然而目前，tc4钛合金在进行固溶、时效热处理时，固溶处理一般采用非真空炉进行水冷，时效处理一般采用非真空炉进行空冷或者炉冷，热处理完毕后，工件存在表面氧化问题。而采用真空热处理炉进行固溶、时效处理后，存在拉伸性能和冲击性能等力学性能不合格、不稳定，甚至不能满足某些技术要求等问题。

4、基于此，急需开发一种满足特定需求的钛合金真空热处理方法使得制备的钛合金具有优异稳定的强度和塑韧性等综合力学性能。

技术实现思路

1、为了解决上述至少一种技术问题，开发一种强度和塑性均较为优异，同时冲击韧性也较为优异，硬度也较高的钛合金，本申请提供一种tc4钛合金热处理方法及其应用。

2、一方面，本申请提供了一种tc4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：

3、s1、在真空下对tc4钛合金进行固溶处理，固溶处理温度为900℃~980℃，保温时间0.5h以上，气体冷却；

4、s2、在真空下对步骤s1固溶处理的tc4钛合金进行时效处理，时效处理温度为520℃~590℃，保温时间3h以上，气体冷却，得到tc4钛合金；

5、所述步骤s1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量3000~11500m3/h，炉膛出口处流量12000m3/h以上；

6、所述步骤s2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温，惰性气体通入，炉膛入口处流量500~3800m3/h，炉膛出口处流量3000m3/h以上；

7、所述步骤s1和步骤s2中，通入的惰性气体的压强控制在5bar以内。

8、可选的，所述步骤s1中，固溶处理温度为920℃~950℃，保温时间为1h~2h；所述步骤s2中，时效处理温度为550℃~580℃，保温时间为4h~5h。

9、通过采用上述技术方案，本申请提供一种特定的tc4钛合金的真空热处理方法，在真空条件下，采用特定的固溶处理参数，配合惰性气体冷却的工艺方法，制备的tc4钛合金将组织中部分α相转变为β相，在随后的快速冷却过程中得到足够数量的亚稳态β相；本申请的热处理方法，还采用了特定的时效处理参数，配合真空条件下惰性气体冷却的工艺方法，能够有效控制合金组织中α相和β相的体积分数，以及次生α相的尺寸和分布，同时消除合金的残余内应力，在进一步提升合金的强度、塑性和韧性的前提下，使合金具有适宜的硬度，以降低加工难度；本申请的整体方法步骤设计，制备得到的tc4钛合金，α相和β相的尺寸均较为细小，α相和β相的分布较为均匀，除了拉伸性能显著提高外，还具有较好的冲击性能；本申请的整体方法步骤设计，固溶处理和时效处理均在真空条件下进行，且在惰性气氛下进行降温冷却处理，合金在整个热处理过程中无需开炉取出，能够有效减少开炉次数，提高生产效率。

10、可选的，所述步骤s1中，所述通入的惰性气体的压强为1.5~3.5bar。

11、可选的，所述步骤s1中，所述通入的惰性气体为氩气，强冷冷却时，炉膛入口处流量5000~9000m3/h，炉膛出口处流量18000m3/h以上。

12、可选的，所述步骤s2中，所述通入惰性气体冷却，采用分两阶段冷却的方式；第一阶段先通入惰性气体，静置冷却至460℃~500℃，第二阶段在第一阶段惰性气体下强冷冷却至室温；

13、通过采用上述技术方案，本申请在时效处理时，采用分两阶段冷却的方式，制得的tc4钛合金的各项性能，能够得到进一步的显著提升。

14、可选的，所述步骤s2中，所述通入的惰性气体的压强为0.5~1.5bar。

15、可选的，所述步骤s2中，所述通入的惰性气体为氩气，气体冷却时，炉膛入口处流量1200~3500m3/h，强冷冷却时，炉膛出口处流量4000~8000m3/h。

16、另一方面，本申请还提供了上述tc4钛合金的热处理方法制备的tc4钛合金，其特征在于，所述tc4钛合金包括20~50%体积分数的α相和50~80%体积分数的β相；所述α相的尺寸：长为9.1~93.8μm，宽为4.2~12.7μm；所述β相的尺寸：长为5.5~108.2μm，宽为0.9~3.5μm。

17、可选的，所述tc4钛合金的抗拉强度1014.6mpa~1061.8mpa，屈服强度为934.8mpa~961.4mpa，延伸率12.6%~18.3%，断面收缩率35.8%~42.5%，冲击韧性55.5kj/m2~67.8kj/m2，硬度hrc36.1~42.3。

18、第三方面，本申请提供了上述的tc4钛合金，在航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域的应用。

19、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

20、1. 本申请提供一种特定的tc4钛合金的热处理方法，在真空条件下，采用特定的固溶处理参数，配合惰性气体冷却的工艺方法，制备的tc4钛合金将组织中部分α相转变为β相，在随后的快速冷却过程中得到足够数量的亚稳态β相。

21、2. 本申请的热处理方法，还采用了特定的时效处理参数，配合真空条件下惰性气体冷却的工艺方法，能够有效控制合金组织中α相和β相的体积分数，以及次生α相的尺寸和分布，同时消除合金的残余内应力，在进一步提升合金的强度、塑性和韧性的前提下，使合金具有适宜的硬度，以降低加工难度。

22、3. 本申请的整体方法步骤设计，制备得到的tc4钛合金，α相和β相的尺寸均较为细小，α相和β相的分布较为均匀，除了强度和塑性显著提高外，还具有较好的冲击韧性。

23、4. 本申请的整体方法步骤设计，固溶处理和时效处理均在真空条件下进行，且在惰性气氛下进行降温冷却处理，合金在整个热处理过程中无需开炉取出，能够有效减少开炉次数，提高生产效率。

技术特征：

1.一种tc4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s1中，固溶处理温度为920℃~950℃，保温时间为1h~2h；所述步骤s2中，时效处理温度为550℃~580℃，保温时间为4h~5h。

3.根据权利要求1所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述通入的惰性气体的压强为1.5~3.5bar。

4.根据权利要求1所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述通入的惰性气体为氩气，强冷冷却时，炉膛入口处流量5000~9000m3/h，炉膛出口处流量18000m3/h以上。

5.根据权利要求1所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s2中，采用分两阶段进行冷却，第一阶段在惰性气体氛围下静置冷却至460℃~500℃，第二阶段在惰性气体氛围下强冷冷却至室温。

6.根据权利要求5所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述通入的惰性气体的压强为0.5~1.5bar。

7.根据权利要求5所述的tc4钛合金的热处理方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述通入的惰性气体为氩气，气体冷却时，炉膛入口处流量1200~3500m3/h，强冷冷却时，炉膛出口处流量4000~8000m3/h。

8.一种如权利要求1所述的tc4钛合金的热处理方法制备的tc4钛合金，其特征在于，所述tc4钛合金包括20~50%体积分数的α相和50~80%体积分数的β相；所述α相的尺寸：长为9.1~93.8μm，宽为4.2~12.7μm；所述β相的尺寸：长为5.5~108.2μm，宽为0.9~3.5μm。

9.根据权利要求8所述的tc4钛合金，其特征在于，所述tc4钛合金的抗拉强度1014.6mpa~1061.8mpa，屈服强度为934.8mpa~961.4mpa，延伸率12.6%~18.3%，断面收缩率35.8%~42.5%，冲击韧性55.5kj/m2~67.8kj/m2，硬度hrc36.1~42.3。

10.一种权利要求8所述的tc4钛合金，在航空航天、医疗器械、汽车工业和化工领域的应用。

技术总结
本申请公开了一种TC4钛合金热处理方法及其应用。一方面，本申请提供了一种TC4钛合金的热处理方法，包括以下步骤：S1、在真空下对TC4钛合金进行固溶处理，然后气体冷却；S2、在真空下对步骤S1固溶处理的TC4钛合金进行时效处理，然后气体冷却，得到TC4钛合金；所述步骤S1中，所述气体冷却，采用通入惰性气体强冷的方式冷却至室温；所述步骤S2中，所述气体冷却，采用通入惰性气体冷却的方式冷却至室温。另一方面，本申请还提供了上述热处理方法制备的TC4钛合金及其应用。本申请制备的TC4钛合金强度和塑性均较为优异，同时冲击韧性也较为优异，硬度也较高。

技术研发人员：孟凡国,仇晨,斯琴毕力格,张川
受保护的技术使用者：北京北方华创真空技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15