專利名稱：通過鍛造和熱處理獲得鈦合金三態組織的方法
技術領域：
本發明涉及鈦合金熱加工技術領域，具體是一種鈦合金α+β兩相區鍛造和三重熱處理獲得三態組織的方法。
背景技術：
鈦合金作為一種高性能的材料，具有密度小、比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優點，在航空航天、石油化工、生物制藥等領域占有重要的地位。鈦合金鍛件經過熱塑性變形改善了金屬的組織和性能。與鑄造相比，鍛造可以生產橫截面積更大的產品，同時通過合理的加工和嚴格的工藝控制，產品性能重現性好。在鈦合金的典型微觀組織中，三態組織由約20%等 軸α、50 60%條狀α和β轉變基體組成，不僅具有好的塑性，同時具有高的高溫性能、低周疲勞性性能和斷裂韌性，其綜合性能優異。近十多年來，周義剛等在《近β鍛造推翻陳舊理論發展了三態組織》中、哈爾濱工業大學在已授權的公告號為CN101717904的發明專利中、西北工業大學在公開號為CN102212745A的發明專利申請中提出了獲得三態組織鈦合金的方法。近β鍛造在中國航空工業標準ΗΒ/Ζ199-2005《鈦合金鍛造工藝》中定義為“在β轉變溫度(Te)以下10°C 20°C加熱后的進行鍛造”，鍛造溫度區間較窄，變形溫升效應使得溫度不宜控制，另一方面，近β鍛造的加熱溫度接近相變溫度Te，若采用大變形單火次加載會導致溫升效應而超過％，使得α相全部轉變為β相，最終無法獲得三態組織鈦合金；若采用多火次加載，鍛件在高溫狀態下反復加熱其晶粒會發生異常長大的現象。因此，近β鍛造方法可能出現上述問題。而西北工業大學在公開號為CN102212745A的發明專利中表明在局部加載成形過程中，“預制坯加熱溫度為Te - (20 10°C ) ”，即近β鍛造的變形溫度區間，并未避開近β鍛造的上述問題。研究表明，鈦合金在α+β兩相區常規多火次鍛造，組織粗化不明顯，本發明鈦合金在α+β兩相區采用常規鍛造，避免了近β鍛造上述問題的出現。哈爾濱工業大學在已授權的公告號為CN101717904的發明專利中要求“初始組織為等軸α和β轉變組織構成的雙態組織”，而本發明對鈦合金的初始組織類型無特殊要求；另外，對于需要變形的鈦合金鍛件，該專利的方法也不適用。

發明內容
為克服現有技術中存在的鍛造溫度區間接近β相轉變溫度Te，高溫多火次加載晶粒易粗化，以及對初始組織為雙態組織的限制的不足，本發明提出了一種通過鍛造和熱處理獲得鈦合金三態組織的方法。本發明包括以下步驟步驟一，α+β兩相區鍛造；將電阻爐溫度加熱至低于鈦合金的β轉變點30 50°C ;將坯料放入電阻爐中并保溫；保溫時間為15 120min ;將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C ;坯料保溫結束后，采用常規鍛造方法加載變形，得到鈦合金鍛件；根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同；鍛造中，壓力機的壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;通過水冷或空冷方式將變形后鈦合金冷卻至室溫；得到鈦合金鍛件；步驟二，第一次熱處理；將電阻爐加熱至低于鈦合金β轉變點10 20°C ;將得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α · +馬氏體；步驟三，第二次熱處理；將電阻爐加熱至低于鈦合金β轉變點40 50°C ;將得到的組織為α _+馬氏體的鈦合金鍛件放入溫度低于鈦合金β轉變點40 50°C電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過 水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為α + α I#+馬氏體；步驟四，第三次熱處理；第三次熱處理的溫度為800 850°C ;將得到的組織為α等軸+ α條片+馬氏體的鈦合金鍛件放入溫度為800 850°C電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，得到具有三態組織的鈦合金鍛件。本發明將坯料在α+β兩相區鍛造，改善鈦合金的初始組織，得到含有等軸α的等軸或雙態組織，為后續的熱處理工藝提供了組織形態上的準備，因此，本發明對鈦合金的初始組織類型無特殊要求，適用多種初始組織類型的鈦合金。同時，本發明中α+β兩相區鍛造溫度區間比近β鍛造范圍更寬，加熱溫度更低，避開了近β鍛造溫度區間較窄，接近β相轉變溫度Te，高溫多火次加載晶粒易粗化等問題。在后續熱處理過程中，通過不同的熱處理溫度與冷卻方式的組合，控制等軸α的含量，β轉變基體上條狀α的析出，最終得到三態組織鈦合金。綜上所述，針對現有鈦合金獲得三態組織方法的不足之處，本發明提出鈦合金在α+β兩相區鍛造后，并通過三重熱處理獲得三態組織的方法，為鈦合金鍛件獲得三態組織提供了一種有效的工藝路徑。


圖I是鈦合金鍛造和熱處理方法流程圖。圖2是實施例一中鈦合金的初始組織圖。圖3是實施例一最后獲得的二態組織圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種鈦合金兩相區鍛造和三重熱處理獲得三態組織的方法，所用坯料的β相轉變溫度為990°C，初始組織如圖2所示。具體實施步驟為步驟一，α+β兩相區鍛造。將電阻爐溫度設定為鈦合金的α+β兩相區溫度，即低于β轉變點30 50°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為940°C，低于鈦合金β轉變溫度50°C。當電阻爐的溫度到達940°C后將鈦合金的坯料放入電阻爐中。電阻爐升溫至940°C開始保溫；保溫時間依據HB/Z199-2005所述保溫時間標準；本實施例中保溫時間為15min。同時，將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C的溫度范圍，本實施例模具加熱到930°C，低于鈦合金β轉變點60°C。坯料保溫結束后，將坯料置于模具中，通過常規鍛造方法將該坯料變形為鍛件。根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同。本實施例中，坯料的鍛比為40%，采用單火次完成變形。鍛造中，壓力機的壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;本實施例中壓力機的壓下速度為O. 2mm/s。變形后通過水冷或空冷方式將鈦合金冷卻至室溫；本實施例采用空冷方式使鈦合
金冷卻到室溫。得到鈦合金鍛件。步驟二，第一次熱處理。設定電阻爐溫度低于鈦合金β轉變點10 20°C，本實施例中，電阻爐溫度為970°C，低于鈦合金β轉變溫度20°C。當電阻爐的溫度到達970°C后將得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至970°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;本實施例兩相區鍛造前的保溫時間為15min,增加60min,即保溫時間為75min。保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α 馬氏體。步驟三，第二次熱處理。設定電阻爐溫度低于鈦合金β轉變點40 50°C，本實施例中，電阻爐溫度為940°C，低于鈦合金β轉變溫度50°C。當電阻爐的溫度到達940°C后將得到的組織為α等#+馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至940°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為15min，增加75min，保溫時間為90min。保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為α等軸+ α條片+馬氏體。步驟四，第三次熱處理。第三次熱處理的溫度為800 850°C，本實施例中，第三次熱處理溫度為850°C。電阻爐的溫度為850°C時，將得到的組織為α # + α 馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。當電阻爐的溫度達到850°C時開始保溫。保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例中兩相區鍛造前保溫時間為15min，增加75min，保溫時間為90min ；保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，得到具有三態組織的鈦合金鍛件。本實施例中，經過步驟一能夠使得坯料變成鍛件，原始組織中如果存在片狀α相，片狀α相就會發生扭曲，部分被破碎，并且組織中儲存大量的畸變能，為后續α球化提供動力；在步驟二的第一次熱處理中α相完全球化，并且冷卻后等軸初生α相的含量在20%左右。后續的熱處理使得鈦合金鍛件組織中形成一定含量的條片狀α相和β轉變組織。由此，通過以上熱變形及熱處理手段就可以獲得由等軸α、條狀α以及β轉變基體組成的三態組織鈦合金鍛件。實施例二本實施例是一種鈦合金兩相區鍛造和三重熱處理獲得三態組織的方法，所用坯料的β相轉變溫度為990°C。具體實施步驟為步驟一，α+β兩相區鍛造。將電阻爐溫度設定為鈦合金的α+β兩相區溫度，即低于β轉變點30 5 (TC的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為950°C，低于鈦合金β轉變溫度40°C。當電阻爐的溫度到達950°C后將坯料放入電阻爐中。電阻爐升溫至950°C開始保溫；保溫時間依據HB/Z199-2005所述保溫時間標準；本實施例中保溫時間為30min。同時，將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C的溫度范圍，本實施例模具加熱到940°C，低于鈦合金β轉變點50°C。坯料保溫結束后，將坯料置于模具中，通過常規鍛造方法將該坯料變形為鍛件。根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同。本實施例中，坯料的鍛比為60%，采用常規鍛造方法單火次完成變形。所述變形壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;本實施例壓下速度為O. 3mm/s。變形后通過 水冷或空冷方式將鈦合金冷卻至室溫；本實施例采用空冷方式使鈦合金冷卻到室溫。得到鈦合金鍛件；步驟二，第一次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為975°C，低于鈦合金β轉變溫度15°C。當電阻爐的溫度到達975°C后將經過步驟一得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至975°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為30min，增加60min,即保溫時間為90min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α 馬氏體；步驟三，第二次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點40 50°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為945°C，低于鈦合金β轉變溫度45°C。當電阻爐的溫度到達945°C后將經過步驟二得到的組織為α 馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至945°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為30min，增加60min，保溫時間為90min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為a #fi+a I#+馬氏體。步驟四，第三次熱處理。第三次熱處理溫度為800 850°C，本實施例第三次熱處理溫度為820°C。電阻爐的溫度為820°C時，將經過步驟三得到的組織為a_ + ciM+馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。當電阻爐的溫度達到820°C時開始保溫。保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為30min，增加90min，保溫時間為120min ;保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金鍛件。實施例三本實施例是一種鈦合金兩相區鍛造和三重熱處理獲得三態組織的方法，所用坯料的β相轉變溫度為980°C。具體實施步驟為步驟一，α+β兩相區鍛造。將電阻爐溫度設定為鈦合金的α+β兩相區溫度，即低于β轉變點30 5 (TC的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為950°C，低于鈦合金β轉變溫度30°C。當電阻爐的溫度到達950°C后將坯料放入電阻爐中。電阻爐升溫至950°C開始保溫；保溫時間依據HB/Z199-2005所述保溫時間標準；本實施例中保溫時間為40min。同時，將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C的溫度范圍，本實施例模具加熱到940°C，低于鈦合金β轉變點40°C。坯料保溫結束后，將坯料置于模具中，通過常規鍛造方法將該坯料變形為鍛件。根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同。本實施例中，坯料的鍛比為80%，采用兩火次加載完成變形，并且每火次完成該坯料40%的鍛比。所述變形壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;本實施例壓下速度為O. 4mm/S0變形后通過水冷或空冷方式將鈦合金冷卻至室溫；本實施例采用水冷方式使鈦合金冷卻到室溫。得到鈦合金鍛件；步驟二，第一次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為970°C，低于鈦合金β轉變溫度10°C。當電阻爐的溫度到達970°C后將經過步驟一得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至970°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為40min，增加60min,即保溫時間為IOOmin ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α 馬氏體；步驟三，第二次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點40 50°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為940°C，低于鈦合金β轉變溫度40°C。當電阻爐的溫度到達940°C后將經過步驟二得到的組織為α 馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至940°C開 始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為40min，增加90min，保溫時間為130min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為a #fi+a I#+馬氏體。步驟四，第三次熱處理。第三次熱處理溫度為800 850°C，本實施例第三次熱處理溫度為800°C。電阻爐的溫度為800°C時，將經過步驟三得到的組織為a_ + ciM+馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。當電阻爐的溫度達到800°C時開始保溫。保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為40min，增加60min，保溫時間為IOOmin ;保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金鍛件。實施例四本實施例是一種鈦合金兩相區鍛造和三重熱處理獲得三態組織的方法，所用坯料的β相轉變溫度為980°C。具體實施步驟為步驟一，α+β兩相區鍛造。將電阻爐溫度加熱至鈦合金的α+β兩相區溫度，即低于β轉變點30 5 (TC的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為940°C，低于鈦合金β轉變溫度40°C。當電阻爐的溫度到達940°C后將鈦合金的坯料放入電阻爐中。電阻爐升溫至940°C開始保溫；保溫時間依據HB/Z199-2005所述保溫時間標準；本實施例中保溫時間為120min。同時，將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C的溫度范圍，本實施例模具加熱到930°C，低于鈦合金β轉變點50°C。坯料保溫結束后，將坯料置于模具中，通過常規鍛造方法將該坯料變形為鍛件。根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同。本實施例中，坯料的鍛比為75%，采用兩火次加載完成變形，并且每火次完成該坯料37. 5%的鍛比。所述變形壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;本實施例壓下速度為O. 3mm/s。變形后通過水冷或空冷方式將鈦合金冷卻至室溫；本實施例采用空冷方式使鈦合金冷卻到室溫。得到鈦合金鍛件；步驟二，第一次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為965°C，低于鈦合金β轉變溫度15°C。當電阻爐的溫度到達965°C后將經過步驟一得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至965°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為120min，增 加60min，即保溫時間為ISOmin ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α 馬氏體；步驟三，第二次熱處理。將電阻爐溫度設定為低于鈦合金β轉變點40 50°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為935°C，低于鈦合金β轉變溫度45°C。當電阻爐的溫度到達935°C后將經過步驟二得到的組織為α 馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。電阻爐升溫至935°C開始保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為120min，增加90min，保溫時間為210min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為a #fi+a I#+馬氏體。步驟四，第三次熱處理。第三次熱處理溫度為800 850°C，本實施例第三次熱處理溫度為850°C。電阻爐的溫度為850°C時，將經過步驟三得到的組織為a_ + ciM+馬氏體的鈦合金鍛件放入電阻爐中。當電阻爐的溫度達到850°C時開始保溫。保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;本實施例兩相區鍛造前保溫時間為120min，增加75min，保溫時間為195min ;保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金鍛件。
權利要求
1.一種通過鍛造和熱處理獲得鈦合金三態組織的方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一，α+β兩相區鍛造； 將電阻爐溫度加熱至低于鈦合金的β轉變點30 50°C;將坯料放入電阻爐中并保溫；保溫時間為15 120min ;將模具加熱至低于鈦合金β轉變點40 60°C ;坯料保溫結束后，采用常規鍛造方法加載變形，得到鈦合金鍛件；根據該坯料的鍛比確定鍛造火次若該坯料的為鍛比< 70%，則單火次加載完成變形；若該坯料的鍛比>70%，則兩火次加載完成變形，且兩火次中該坯料的鍛比相同；鍛造中，壓力機的壓下速度為O. 2 O. 4mm/s ;通過水冷或空冷方式將變形后鈦合金冷卻至室溫；得到鈦合金鍛件； 步驟二，第一次熱處理； 將電阻爐加熱至低于鈦合金β轉變點10 20°C;將得到的鈦合金鍛件放入電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷方式將該鍛件冷卻至室溫，使鈦合金鍛件組織成為α 馬氏體；步驟三，第二次熱處理； 將電阻爐加熱至低于鈦合金β轉變點40 50°C ;將得到的組織為α 馬氏體的鈦合金鍛件放入溫度低于鈦合金β轉變點40 50°C電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min ;保溫結束后在IOs內將鍛件浸沒水中，通過水冷的方式將該鍛件冷卻至室溫，使鍛件組織改變為α + α #+馬氏體； 步驟四，第三次熱處理； 第三次熱處理的溫度為800 850°C ;將得到的組織為α _ + α條彳+馬氏體的鈦合金鍛件放入溫度為800 850°C電阻爐中并保溫；保溫時間在兩相區鍛造前保溫時間基礎上增加60 90min保溫結束后取出鈦合金鍛件空冷到室溫，得到具有三態組織的鈦合金鍛件。
全文摘要
一種通過鍛造和熱處理獲得鈦合金三態組織的方法，將坯料在α+β兩相區鍛造，改善鈦合金的初始組織，得到含有等軸α的等軸或雙態組織，為后續的熱處理工藝提供了組織形態上的準備。同時，本發明中α+β兩相區鍛造溫度區間比近β鍛造范圍更寬，加熱溫度更低，避開了近β鍛造溫度區間較窄，接近β相轉變溫度Tβ，高溫多火次加載晶粒易粗化等問題。在后續熱處理過程中，通過不同的熱處理溫度與冷卻方式的組合，控制等軸α的含量，β轉變基體上條狀α的析出，最終得到三態組織鈦合金。本發明對鈦合金的初始組織類型無特殊要求，適用多種初始組織類型的鈦合金，在鈦合金α+β兩相區通過三重熱處理，為鈦合金鍛件獲得三態組織提供了一種有效的工藝路徑。
文檔編號C22F1/18GK102758159SQ20121027325
公開日2012年10月31日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者孫志超, 曹欣, 楊合, 王曉群 申請人:西北工業大學