一种具有复合型片层结构的魏氏组织钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通过热处理优化钛合金综合性能技术领域，具体涉及一种具有复合型 片层结构的魏氏组织钛合金及其制备方法，该力学性能得到优化的钛合金在航空航天领域 将有更宽广的应用范围。
【背景技术】
[0002] 钛合金因其具有较高的比强度及优异的抗腐蚀性能，在航空、航天及船舶领域获 得了广泛的应用。钛合金的等轴组织具有优异的拉伸性能及高周疲劳性能，是目前应用最 广泛的钛合金显微组织类型。而具有粗大原始3晶粒的魏氏组织钛合金具有优于等轴或 双态组织的损伤容限性能，即较低的疲劳裂纹扩展速率（da/dN)和较高的断裂韧性（Kic)。 航空结构设计开始将具有魏氏组织的钛合金列为选材范围，以提高结构的使用寿命及可靠 性。
[0003] 现有钛合金的魏氏组织具有普通片层结构，其是将合金在a/ 0相完全转变点Te 以上经过热处理所获得的，具有普通片层结构的魏氏组织钛合金拉伸强度及塑性较低，采 用提高固溶后冷却速度的方式能够在一定程度上提高拉伸强度并降低da/dN，但同时伴随 拉伸塑性及断裂韧性的损失，并且对于da/dN的降低作用是存在一定极限的。
[0004] 结构设计选材中，期望材料具有更低的da/dN、更高Kie的及更优异的拉伸性能，因 此，亟待通过热处理能够对材料的性能进行调控优化。
【发明内容】
[0005] 针对进一步优化钛合金魏氏组织以提高其综合性能的问题，本发明提供一种具有 复合型片层结构的魏氏组织钛合金及其制备方法，将魏氏组织通过适当的热处理同时降低 da/dN、提高Kie，并且材料的拉伸强度及塑性均能获得一定程度的提升。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] -种具有复合型片层结构的魏氏组织钛合金的制备方法，该方法首先选取具有普 通片层结构的魏氏组织的钛合金坯料，然后将其进行热处理，热处理温度为该钛合金a/ 3 相完全转变点以下10~20°C范围内；钛合金坯料保温结束后以空冷或风冷的方式冷却至 室温，获得具有复合型片层结构的魏氏组织钛合金。
[0008]对钛合金坯料进行热处理的保温时间t(min) =nXS_，S_为以毫米（mm)表 示的坯料的最大截面厚度或直径，n为加热系数，n的取值为0.4~0.9,t(min)是指以 分钟表示的时间值。
[0009] 所述具有普通片层结构的魏氏组织是指a片层之间分布着P相，具有普通片层 结构的魏氏组织的钛合金坯料获取方式如下：
[0010] 将具有等轴或双态显微组织的钛合金坯料在合金a/3相完全转变点以上 20°C~KKTC范围内的某一温度进行热处理，保温时间为t(min) =nXS_，为以毫 米（_)表示的坯料的最大截面厚度或直径，n为加热系数，n的取值为〇. 3~0. 8,t(min) 是指以分钟表示的时间值；钛合金坯料保温结束后空气中冷却至室温，获得具有普通片层 结构的魏氏组织钛合金坯料。
[0011] 利用上述方法制备的钛合金，其具有复合型片层结构的魏氏组织，即在粗大的a 片层之间分布着细小的次生a片层，所述次生a片层占的体积比例为60-80%。
[0012] 本发明的优点在于：
[0013] 1、本发明通过将魏氏组织在a+0两相区特定温度范围内进行热处理，并控制热 处理后的冷却速度，能够获得一种复合型片层结构，这种特殊结构能够提高魏氏组织的拉 伸性能、断裂韧性并同时降低其da/dN，从而进一步全面优化了魏氏组织的力学性能，突破 了现有采用提高冷速对具有普通片层结构的魏氏组织性能优化的局限性，提高了具有魏氏 组织钛合金的应用潜力。
[0014] 2、本发明通过将具有普通片层结构的魏氏组织在（i/P相完全转变点以下进行 保温并以一定速度冷却，冷却过程中原始粗大a片层间的0相转变为细小的次生a片 层。复合型片层组织中粗大片层间细小的次生a片层细化了魏氏组织显微组织尺寸，提升 材料的拉伸强度及塑性，并且疲劳裂纹在扩展至次生a片层区域时，细小的次生a片层进 一步提高了裂纹扩展的曲折程度，将进一步降低da/dN。
[0015] 3、本发明获得的具有复合型片层结构的魏氏组织钛合金，相比于普通片层结构的 魏氏组织，具有复合型片层结构的魏氏组织的强度、塑性及韧性得到了同时优化，其中拉伸 塑性提升较为明显，约为30~40%。材料抗疲劳裂纹扩展能力方面，突破了仅采用提高冷 速对于da/dN降低作用的极限，在低AK范围内，复合型片层组织的da/dN仅是普通结构片 层的50%左右，可大幅度提高了材料的使用寿命，增大了结构件的维护周期，降低了成本。
【附图说明】：
[0016] 图1为典型的钛合金等轴组织和具有普通片层结构的魏氏组织；其中：(a)等轴组 织；(b)具有普通片层结构的魏氏组织。
[0017] 图2为等轴组织和具有普通片层结构的魏氏组织的TC4钛合金da/dN对比（R= 0? 1) 〇
[0018] 图3为采用炉冷的缓慢冷却获得的片层较厚的魏氏组织显微形貌。
[0019] 图4为采用炉冷（F.C.)及空冷（A.C.)获得的两种片层厚度的魏氏组织的da/dN 对比（R= 0. 1)。
[0020] 图5为采用水冷（W.Q.)空冷（A.C.)获得的两种a片层厚度的魏氏组织的da/dN 对比（R= 0. 1)。
[0021] 图6为钛合金普通片层组织的显微结构示意图。
[0022] 图7为通过热处理获得的复合型片层结构及其显微形貌；其中：(a)复合型片层的 结构示意图；(b)复合型片层组织的扫描电镜显微形貌。
[0023] 图8为不同热处理温度得到的复合型片层组织与普通片层组织的da/dN对比（R =0?1)〇
【具体实施方式】：
[0024] 以下结合附图及实施例详述本发明。以下实施例及对比例中原始钛合金坯料为圆 柱状，最大截面直径都为120mm。
[0025] 对比例1
[0026] 本对比例是对名义成分为Ti-6A1_4V的TC4钛合金进行热处理，该合金相变点为 975±5°C。热处理制度为920°C保温1小时后空冷（A.C.)，获得具有等轴组织的钛合金，如 图1(a)所示。热处理制度为1020°C保温1小时后空冷，获得具有普通片层结构的魏氏组织 钛合金，如图1(b)所示。表1为该钛合金等轴组织及魏氏组织的力学性能比较，图2为二 者的da/dN对比。可以看出，与等轴组织相比，具有普通片层结构的魏氏组织的拉伸强度及 塑性略低，但具有优异的损伤容限性能，即较低da/dN和较高的Kk。
[0027] 表lTi-6Al_4V合金等轴组织及魏氏组织拉伸性能及断裂韧性比较
[0028]
[0029] 对比例2
[0030] 本对比例是对名义成分为Ti-6A1-4V的TC4钛合金通过提高固溶处理后的冷却速 度对材料性能进行调控优化。TC4钛合金的热处理制度为1020°C保温1小时后炉冷。图3 为采用炉冷的缓慢冷却获得的片层较厚的魏氏组织显微形貌，该组织中a片层厚度约为 5~IOym，图1(b)中采用空冷获得的魏氏组织形貌，该组织中a片层厚度约为2pm。可 见，将钛合金在ci/P相完全转变点以上进行固溶保温处理，而后以一定的速度进行冷却， 冷却速度不同时获得的片层厚度也具有差异。
[0031] 图4为采用炉冷（F.C.)及空冷（A.C.)获得的两种不同厚度a片层的魏氏组织 的da/dN对比，冷速较快时，da/dN较低。然而进一步采用更高冷速的水冷（W.Q.)来获得 片层更细小的针状马氏体时，材料的da/dN却比空冷时明显提高，如图5所示，针状马氏体 具有较高da/dN与其脆性变形特征有关。
[0032] 疲劳裂纹在魏氏组织中扩展时，裂纹倾向于沿垂直或平行于a片层的方向扩展， 形成具有台阶状的裂纹扩展路径，裂纹扩展过程中形成的台阶数量越多，裂纹路径越曲折， 裂纹闭合程度越高，从而材料的da/dN越低。降低a片层厚度则可以增加裂纹扩展过程中 形成的台阶数量，并降低da/dN。通过提高热处理冷却速度的方法能够在一定范围内降低 da/dN,但当冷却速度达到或高于水冷时，将形成脆性的马氏体组织，此时材料的da/dN反 而明显提高，且KkW显降低。因此若能够在降低a片层厚度的同时避免形成脆性的马氏 体，则