[发明专利]一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金热加工技术领域，具体是一种近α钛合金获得三态组织的锻造与热处理工艺。

背景技术

钛合金作为一种高性能的材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空航天、石油化工、生物制药等领域占有重要的地位。近α钛合金(如TA15)具有α钛合金良好的热强性和可焊性以及接近于α+β型钛合金的工艺塑性。与铸造相比，锻造可以生产横截面积更大的产品，同时通过合理的加工和严格的工艺控制，产品性能重现性好。钛合金锻件作为飞机等关键承力构件，因其服役环境恶劣，要求具有优异的综合性能(室温/温性能、断裂韧性等)。在钛合金的典型微观组织中，三态组织由约20%等轴α、50~60%条状α和β转变基体组成，不仅具有好的塑性，同时具有高的高温性能、低周疲劳性性能和断裂韧性，其综合性能优异，能够满足钛合金航空锻件的服役要求。近十多年来，周义刚等在《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》中、哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中、西北工业大学在公开号为CN 102212745A的发明专利申请中提出了获得三态组织钛合金的方法。近β锻造在中国航空工业标准HB/Z 199-2005《钛合金锻造工艺》中规定为“在β转变温度(T_β)以下10℃~20℃加热后的进行锻造”，锻造温度区间较窄，不宜温度的控制，另一方面，近β锻造的加热温度接近T_β，若采用大变形单火次加载会导致温升效应而超过T_β，最终无法获得三态组织钛合金；若采用多火次加载，锻件在高温状态下反复加热其晶粒会发生异常长大的现象。而现有的研究表明，钛合金在α+β两相区常规多火次锻后，组织粗化不明显。西北工业大学在公开号为CN 102212745A的发明专利中表明在局部加载成形过程中，预制坯加热温度为T_β－(20~10℃)，即近β锻造的变形温度区间，因此，近β锻造的可能出现的问题仍未解决。而哈尔滨工业大学在已授权的公告号为CN 101717904的发明专利中要求“初始组织为等轴α和β转变组织构成的双态组织”，而本发明对钛合金的初始组织类型无特殊要求，因此，本发明适用多种组织类型的近α钛合金。针对现有获得三态组织方法的不足之处，本发明提出了对近α钛合金经α+β两相区常规锻造后，再通过合理的热处理工艺获得三态组织的方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的锻造温度区间接近β相转变温度T_β，高温多火次加载晶粒易粗化，以及对初始组织为双态组织的限制的不足，本发明提出了一种近α钛合金在α+β两相区获得三态组织的方法。

本发明的具体工艺步骤为：

步骤一，α+β两相区锻造；

将电阻炉加热至低于β转变点30～50℃；将钛合金的坯料放入电阻炉中；电阻炉升温至低于β转变点30～50℃开始保温；保温时间为25～120min；将模具加热至低于钛合金β转变点40～60℃；坯料保温结束后，将坯料置于模具中，通过常规锻造方法将该坯料变形为锻件；根据该坯料的锻比确定锻造火次：若该坯料的为锻比≤70%，则单火次加载完成变形；若该坯料的锻比>70%，则两火次加载完成变形，且两火次中该坯料的锻比相同；

所述变形压下速度为0.2～0.4mm/s；变形后通过水冷或空冷方式将钛合金冷却至室温，得到钛合金锻件；

步骤二，第一次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点10～20℃；将得到的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点10～20℃后开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60min；保温结束后在10s内将锻件浸没水中，通过水冷方式将该锻件冷却至室温，使钛合金锻件组织成为α_等轴+马氏体；

步骤三，第二次热处理；将电阻炉加热至低于钛合金β转变点50～60℃；将组织为α_等轴+马氏体的钛合金锻件放入电阻炉中，将电阻炉升温至低于钛合金β转变点50～60℃开始保温；保温时间在两相区锻造前保温时间基础上增加60～90min；保温时间为140min；保温结束后取出锻件空冷至室温，使锻件组织改变为α_等轴+α_条片+β_转，即获得了三态组织。