[发明专利]将亚稳β钛合金强度提高至1400MPa以上的热处理方法

说明书

本发明公开了一种将亚稳β钛合金强度提高至1400MPa以上的热处理方法，包括以下步骤：首先将亚稳β钛合金材料加热至β转变点以下10℃~30℃进行固溶热处理，水淬至室温；然后将固溶热处理后的亚稳β钛合金材料加热至300℃保温10‑100小时，进行低温时效热处理，水淬至室温；最后将低温时效热处理后的亚稳β钛合金材料加热至500℃~550℃，进行高温时效热处理，水淬至室温。本发明通过固溶和时效热处理对亚稳β钛合金显微组织中次生α相的分布和尺寸进行调控，得到均匀弥散分布于β晶粒内的平均长轴尺寸小于~140nm、短轴尺寸小于~55nm的针状次生α相，进而显著提升亚稳β钛合金的强度至1400MPa以上。本发明可以拓展亚稳β钛合金在航空工业领域的应用范围。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种将亚稳β钛合金强度提高至1400MPa以上的热处理方法。

背景技术

近年来，航空工业领域内各类军用、民用飞机对轻量化、长寿命、高可靠性等提出了越来越高的要求，迫切需要持续实现飞机的结构减重。亚稳β钛合金具有高比强度、深淬透性及优异的耐腐蚀性等特点，已成为各类新型飞机的大型关键承力结构件的理想备选材料，并已被用于制造空客A380和波音787等新一代民用客机的起落架。在这些飞机的起落架中，通过用亚稳β钛合金部件取代原先的高强度钢部件，实现了显著的结构减重。然而值得注意的是，目前国内外典型商用亚稳β钛合金（如Ti-5553、Ti-1023、Ti-55531等）的服役强度水平一般不超过1300MPa，与超高强度钢的强度水平（最高可达2000MPa以上）还有很大差距。绝大多数情况下，这些亚稳β钛合金的微观组织和力学性能主要是通过固溶和时效热处理进行调控的。综合分析这些亚稳β钛合金的特点可以发现，其高强度主要来源于时效热处理过程中析出的α相的弥散强化作用。这些亚稳β钛合金通常的时效热处理制度为：先在450至650°C保温4至8小时，之后在空气中冷却至室温。经过该种时效热处理后，合金中会析出大量的次生α相，其强度会随之显著升高，但是该类次生α相的分布往往不均匀，且尺寸较大，限制了合金强度的提升幅度。对于任何一种亚稳β钛合金，其次生α相的分布和尺寸与其固溶热处理后保留的初生α相含量、时效温度、时效时间等密切相关。例如，初生α相含量越高则次生α相分布越不均匀；时效温度越高、时效时间越长则次生α相尺寸越大。因此，合理设计亚稳β钛合金的固溶和时效热处理制度，使其产生均匀弥散分布且尺寸细小的次生α相，是进一步提升其强度水平的关键。基于此，本申请提出了一种将亚稳β钛合金强度提高至1400MPa以上的热处理方法。

发明内容

考虑到亚稳β钛合金的强度与其次生α相的分布和尺寸密切相关，而通过固溶和时效热处理可以对其次生α相的分布和尺寸进行调控，因此设计出合理的固溶和时效热处理方法以获得均匀弥散分布且尺寸细小的次生α相是解决现有商用亚稳β钛合金服役强度水平偏低（不超过1300MPa）的关键。

基于以上考虑，本申请针对现有商用亚稳β钛合金服役强度水平偏低、难以进一步取代具有更高强度水平的超高强度钢以实现飞机结构减重的问题，提供一种将亚稳β钛合金强度提高至1400MPa以上的热处理方法。该方法包括以下步骤：

步骤1、将亚稳β钛合金材料加热至β转变点以下10℃~30℃进行固溶热处理，随后水淬至室温；

步骤2、将所述固溶热处理后的所述亚稳β钛合金材料加热至300℃保温10-100小时，进行低温时效热处理，随后水淬至室温；

步骤3、将所述低温时效热处理后的所述亚稳β钛合金材料加热至500℃~550℃，进行高温时效热处理，随后水淬至室温。

作为本发明的进一步说明，经过步骤1的所述固溶热处理及水淬后所述亚稳β钛合金材料的微观组织中，β晶粒平均尺寸75μm~85μm、初生α相平均尺寸2.1μm~3.6μm、初生α相含量1.4%~2.5%。

作为本发明的进一步说明，经过步骤2的所述低温时效热处理及水淬后得到均匀弥散分布于β晶粒内的平均尺寸大于~5nm的等温ω相。