專利名稱：一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法
技術領域：
本發明涉及鈦合金熱加工技術領域，具體是一種近α鈦合金通過熱處理獲得三態組織的方法。
背景技術：
近α鈦合金具有比α+β類鈦合金更好的熱穩定性和焊接性，比α鈦合金更好的壓力加工性能，通常在航空、航天等領域應用于關鍵的承力結構件。這些構件服役環境惡劣，不但要求高精度，更要求高性能和高可靠性，也就是說，既要求好的室溫塑性和熱穩定性，又要求好的強度、高溫性能(持久、蠕變)、斷裂韌性、疲勞性能、抗裂紋擴展能力。實際生產中的近α鈦合金棒材、板材或鍛坯(經過熔煉、軋制或改鍛)往往是等軸組織。鈦合金微 觀組織決定力學性能，從而決定了其服役性能。等軸組織和片層組織是近α鈦合金的兩種典型組織，這兩種組織在塑性、熱穩定性、高溫性能、抗疲勞裂紋擴展能力和斷裂韌性上各有優缺點，各性能的合理匹配始終沒有很好解決。周義剛等人在《近β鍛造推翻陳舊理論發展了三態組織》中提出了由20%等軸α、50°/Γ60%條狀α和β轉變基體組成的三態組織。三態組織綜合了上述兩種組織的優點，不僅具有好的塑性，同時具有高的熱強性和斷裂韌性，綜合性能優于其它類型的組織。因此，獲得具有三態組織的鈦合金零(構)件常常是生產中追求的目標。而獲得三態組織的近β鍛造技術需要在β轉變點以下1(T20°C進行鍛造，鍛造時由于金屬激烈流動，存在變形熱而導致溫升效應，同時流動不均勻導致鍛件不同位置的溫升程度不同，會導致鍛件局部過熱，若要避免局部過熱就會使鍛造更加復雜。因此，該技術存在鍛造溫度區間較窄，不易于溫度控制的問題。哈爾濱工業大學在已授權的公告號為CN101717904的發明專利中提出了一種通過兩個步驟獲得三態組織的方法第一步將初始組織為雙態組織的鈦合金加熱到低于β轉變點1(T30°C的溫度范圍內保溫一定時間后水冷，第二步加熱到低于β轉變點4(T60°C的溫度范圍內保溫一定時間后空冷，獲得三態組織。該專利中要求初始組織為雙態組織，但是用于成形鈦合金零件的原始棒材、板材或鍛坯一般為等軸組織，為了獲得雙態組織還需要對等軸組織進行專門的預處理。西北工業大學在公開號為CN 102212745A的發明專利申請中提出了一種在鈦合金局部加載成形中獲得三態組織的方法。該方法中，鈦合金經過局部加載成形、精整和熱處理后獲得成形鍛件，通過控制局部加載成形的參數獲得三態組織。但在該發明中，仍然需要經過低于β轉變點10 20°C的近β鍛造，而近β鍛造會因為不均勻變形熱效應，使得鍛件局部溫度過高，或者使得鍛造的控制更加復雜。

發明內容
為克服現有技術中存在的近β鍛造會因為不均勻變形熱效應，使得鍛件局部溫度過高，或者使得鍛造的控制更加復雜，以及對初始組織為雙態組織的限制的不足，本發明提出了一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法。
本發明的具體步驟是步驟一，近β溫度熱處理；將電阻爐加熱至低于β轉變點10 20°C ;將試樣放入電阻爐中；電阻爐升溫至低于β轉變點10 20°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min ;保溫結束后，在O. 2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為αmm +馬氏體；步驟二，兩相區溫度熱處理；將電阻爐加熱至低于β轉變點50 60°C;將得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中；當電阻爐升溫至低于β轉變點50 60°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min ;保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α等軸+ α條片+ β轉；步驟三，時效；將得到的組織為α等軸+ α條片+ β轉的鈦合金試樣放入溫度為550 650°C的電阻爐中；當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫；保溫時間為60 360min ;保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。為了解決獲得三態組織鈦合金的近β鍛造的工作溫度區間較窄不易控制的問題，以及熱處理制度對初始組織的要求為雙態組織的問題，本發明提供了一種在近α鈦合金上獲得三態組織的熱處理方法。本發明通過步驟一能夠在鈦合金組織中保留10% 20%的等軸初生α相，余下的為馬氏體。通過步驟二使得在步驟一中得到的等軸初生α相基本保持原來的含量與形態，而在步驟一中得到的馬氏體分解為針片狀的α+β組織，并且一部分α針片進一步粗化為具有一定厚度的條片狀α，這時條片狀α周圍是β相。β相在隨后的冷卻中轉變成細針片狀的α+β組織，g卩β妒通過步驟三可以使鈦合金組織和成分更加均勻，并且時效析出細小的％相，最終獲得由等軸初生α、條片狀α及β轉變組織構成的三態組織鈦合金。本發明與現有技術相比具有以下優異效果本發明的熱處理方法無需近β熱變形，不產生變形溫升效應，溫度易于控制，對等軸組織近α鈦合金無需進行專門的預處理來獲得雙態組織；本發明的熱處理方法簡便易行且使用范圍廣泛，適用于軋制、擠壓以及以機械加工成形等方法制造的近α鈦合金零件的熱處理，以至獲得三態組織。特別是對于鈦合金復雜構件、局部復雜構件或大型構件，就可以使用機械加工的方式加工出構件的近凈形態后通過本發明獲得三態組織。


附圖I是方法流程圖，附圖2是β轉變點為990°C的近α鈦鈦合金原始等軸組織圖，附圖3是經過步驟一熱處理后的鈦合金組織圖，附圖4是經過步驟三熱處理后的鈦合金三態組織圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，所用試樣為ΤΑ15鈦合金，試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ 10*15mm ；所述TA15鈦合金為、Ti-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15鈦合金的β轉變點為990°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的近β溫度，即低于β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為975°C，低于TA15鈦合金β溫度15°C。當電阻爐的溫度到達975°C后將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至975°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，并且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為10mm，保溫時間為40min。保溫結束后，在O. 2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫度熱處理。
將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的兩相區溫度，即低于β轉變點50 60°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為940°C，低于TA15鈦合金β溫度50°C。當電阻爐到達940°C后，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至940°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為40min，增加30min，保溫時間為70min。保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α等軸+ α條片+ β轉。步驟三，時效。將得到的組織為α等軸+α條片+ β轉的鈦合金試樣放入550 650°C的電阻爐中進行時效處理。當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫。保溫時間為60 360min。本實施例的時效溫度為550°C;當電阻爐的溫度達到550°C時開始保溫360min。保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。本實施例中，通過步驟一能夠在鈦合金組織中保留15%左右的等軸初生α相，余下的為馬氏體。通過步驟二使得在步驟一中得到的等軸初生α相基本保持原來的含量與形態，而在步驟一中得到的馬氏體分解為針片狀的α+β組織，并且一部分α針片進一步粗化為具有一定厚度的條片狀α，這時條片狀α周圍是β相。β相在隨后的冷卻中轉變成細針片狀的α+β組織，即β#通過步驟三可以使鈦合金組織和成分更加均勻，并且時效析出細小的％相，最終獲得由等軸初生α、條片狀α及β轉變組織構成的三態組織鈦
I=I -Wl O本實施例的熱處理方法流程見圖1，ΤΑ15鈦合金原始微觀組織見圖2，經過步驟一的鈦合金組織如圖3所示，經過步驟三得到的鈦合金的三態組織如圖4所示。實施例二本實施例是一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，所用試樣為ΤΑ15鈦合金，試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ 210*300mm ；所述TA15鈦合金為Ti-6Al-2Zr-lMo-lV。TA15鈦合金的β轉變點為990°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的近β溫度，即低于β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為970°C，低于TA15鈦合金β溫度20°C。當電阻爐的溫度到達970°C后將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至970°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，并且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑的依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為210mm，保溫時間為126min。保溫結束后，在O. 2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為等軸α +馬氏體組織。步驟二，兩相區溫度熱處理。將電阻爐加熱至ΤΑ15鈦合金的兩相區溫度，即低于β轉變點50 60°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為935°C，低于TA15鈦合金β溫度55°C。當電阻爐到達935°C后，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至935°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為126min，增加60min，保溫時間為186min。保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α _ + α + β胃。步驟三，時效。將得到的組織為α等軸+α條片+ β轉的鈦合金試樣放入550 650°C的電阻爐中進行時效處理。當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫。保溫時間為60 360min。本實施例的時效溫度為600°C;當電阻爐的溫度達到600°C時開始保溫180min。保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。實施例三本實施例是一種在鈦合金中獲得三態組織的方法，所用試樣為TAll鈦合金，試樣的外形為圓柱形，該試樣的規格為Φ15*25πιπι;所述了八11鈦合金為11-841-謹0-1￥。TAll鈦合金的β轉變點為1040°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的近β溫度，即低于β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為1020°C，低于TC4鈦合金β溫度20°C。當電阻爐的溫度到達1020°C后將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至1020°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，并且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的 厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為15mm，保溫時間為25min。保溫結束后，在O. 2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫,使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的兩相區溫度，即低于β轉變點50 60°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為990°C，低于TAlI鈦合金β溫度50°C。當電阻爐到達990°C后，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至990°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為25min，增加20min，保溫時間為45min。保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α等軸+ α條片+ β轉。步驟三，時效。將得到的組織為α等軸+α條片+ β轉的鈦合金試樣放入550 650°C的電阻爐中進行時效處理。當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫。保溫時間為60 360min。本實施例的時效溫度為600°C;當電阻爐的溫度達到600°C時開始保溫120min。保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。實施例四本實施例是一種在鈦合金中獲得三態組織的方法，所用試樣為TAll鈦合金，試樣的外形為長方體，該試樣的規格為48*48*100mm ;所述TAll鈦合金為Ti-8Al-lMo_lV。TAll鈦合金的β轉變點為1040°C，初始組織為等軸組織。本實施例的具體實施步驟為

步驟一，近β溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的近β溫度，即低于β轉變點10 20°C的溫度范圍，本實施例中，電阻爐溫度為1030°C，低于TAll鈦合金β溫度10°C。當電阻爐的溫度到達1030°C后將圓柱試樣放入電阻爐中。電阻爐升溫至1030°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；所述鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min。確定所述保溫時間是依據HB/Z199-2005上表格4的前三列所示的保溫時間標準，并且本實施例中，以鈦合金試樣截面等效圓直徑代替HB/Z199-2005中的厚度。所述確定截面等效圓直徑是依據GJB 3763A-2004的附錄A。本實施例中，鈦合金試樣截面等效圓直徑為60mm,保溫時間為60min。保溫結束后,在O. 2min內將試樣浸沒至水中,通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫,使試樣組織改變為a 馬氏體。步驟二，兩相區溫度熱處理。將電阻爐加熱至TAll鈦合金的兩相區溫度，即低于β轉變點50 60°C的溫度范圍，本實施例中，設定電阻爐溫度為980°C，低于TAlI鈦合金β溫度60°C。當電阻爐到達980°C后，將經過步驟一得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中。當電阻爐升溫至980°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min。本實施例中，步驟I中的保溫時間為60min，增加40min，保溫時間為lOOmin。保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α雜+ α + β胃。步驟三，時效。將得到的組織為α等軸+α條片+ β轉的鈦合金試樣放入550 650°C的電阻爐中進行時效處理。當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫。保溫時間為60 360min。本實施例的時效溫度為650°C ;當電阻爐的溫度達到650°C時開始保溫60min。保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。
權利要求
1.一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，其特征在于，具體包括以下步驟步驟一，近β溫度熱處理；將電阻爐加熱至低于β轉變點10 20°C;將試樣放入電阻爐中；電阻爐升溫至低于β轉變點10 20°C開始保溫，保溫時間根據鈦合金試樣截面等效圓直徑確定；鈦合金試樣截面等效圓直徑每Imm保溫O. 6 4min ;保溫結束后,在O. 2min內將試樣浸沒至水中，通過水冷的方式將該試樣冷卻至室溫，使試樣組織改變為α等軸+馬氏體； 步驟二，兩相區溫度熱處理；將電阻爐加熱至低于β轉變點50 60°C;將得到的組織為α 馬氏體的鈦合金試樣放入電阻爐中；當電阻爐升溫至低于β轉變點50 60°C開始保溫，保溫時間是步驟一中保溫時間的基礎上增加20 60min ;保溫結束后取出試樣空冷至室溫，使試樣組織改變為α等軸+ α條片+ β轉； 步驟三，時效；將得到的組織為α等軸+ α條片+ β轉的鈦合金試樣放入溫度為550 .650 °C的電阻爐中；當電阻爐的溫度達到550 650°C時開始保溫；保溫時間為60 .360min ;保溫結束后取出鈦合金試樣空冷到室溫，達到具有三態組織的鈦合金。
全文摘要
一種在近α鈦合金中獲得三態組織的方法，通過近β溫度熱處理，使試樣組織改變為α等軸+馬氏體；通過兩相區溫度熱處理，使試樣組織改變為α等軸+α條片+β轉；通過時效處理，得到具有三態組織的鈦合金。本發明無需近β熱變形，不產生變形溫升效應，溫度易于控制，對等軸組織近α鈦合金無需進行專門的預處理來獲得雙態組織。本發明簡便易行且使用范圍廣泛，適用于軋制、擠壓以及以機械加工成形等方法制造的近α鈦合金零件的熱處理，以至獲得三態組織。特別是對于鈦合金復雜構件、局部復雜構件或大型構件，在加工出構件的近凈形態后采用本發明獲得三態組織。
文檔編號C22F1/18GK102758160SQ20121027331
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, 張玨, 楊合, 郭雙雙 申請人:西北工業大學