CN103966535A - 一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造 - Google Patents
一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，将试样加热到Tβ以上一定温度并保温一定的时间后，然后在液压机等温锻造控制***中设定变形参数(变形程度，变形速率)以及变形时模具的加热温度对其进行变形，锻后空冷或水冷，而后将变形后的试样进行普通的退火处理，以保证组织的稳定。本发明方法既提高TC4-DT合金的断裂韧性，又能提高其塑性的β相区近等温锻造工艺，获得一种具有高塑性的片状组织，使其既具有网篮组织的塑性，又具有片状组织固有的优良特性，能满足损伤设计的要求，保证构件在实际应用中性能稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于钛合金的热加工技术领域，具体涉及一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，在保证获得高的强度和断裂韧性的情况下获得高塑性的一种β相区近等温锻造工艺。
背景技术
两相钛合金根据其加工工艺的不同可以获得四种不同的组织类型，分别为等轴组织、双态组织、网篮组织、片状组织。等轴和双态组织具有良好的强度和塑性的匹配以及低周疲劳性能，但其抗蠕变性能和抗疲劳裂纹扩展的能力较差。片状组织具有较高的断裂韧性、蠕变抗力和持久强度，但是其塑性较差。网篮组织的疲劳性能高于片状组织，但断裂韧性却低于片状组织。传统中应用最多的是等轴和双态组织，然而随着现代飞机结构设计思想的演变，一种要求飞机具有长寿命和损伤容限/耐久性的设计准则，对材料的设计提出了新的的要求，即要求材料具有更高的断裂韧度和更低的裂纹扩展速率。期望能够满足这一要求的显微组织只有网篮组织和片状组织。生产中针对某一具体材料或采用β变形或采用β热处理来获得网篮组织或片状组织。其中β变形包括近β变形，β变形，准β变形等，β热处理又包括准β热处理和传统意义上的β热处理等。近β锻造在中国航空工业标准HB/Z199-91《钛合金锻造工艺》中规定加热温度为Tβ以下10-15℃，由于该工艺变形温度的上限仍然在两相区，所以最终所获得的组织仍然有一定量的初生α相，对断裂韧性的改善不是很理想。β变形的加热温度则是在Tβ以上20-75℃，由于变形在Tβ以上较高的温度，在变形的过程中由于过冷度的降低，使得在晶界α相析出以前变形就已结束，最终获得的组织其塑性降低。中国专利号01131237.8详细界定了准β变形时的工艺条件，即试样在两相区预热，然后迅速随炉升温至Tβ-10℃～Tβ+20℃短时加热后进行变形，该工艺涵盖了几乎所有类型的钛合金。β热处理是将试样加热到单相区的某一温度并保温一定时间后退火处理，所获得组织为具有平直晶界的片状组织，可以获得很高的断裂韧性，但降低了塑性。准β热处理(中国专利号200410090864.3)则是将试样在Tβ附近区域加热，获得的片状组织具有良好的塑性，该工艺针对的是近α和α+β钛合金。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造
技术方案
一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，其特征在于步骤如下：
步骤1、钛合金坯料的加热保温：对电阻炉采用每隔200℃分段加热并分别保温1-2h的方式加热到相变点Tβ以上20℃，然后保温1-2h时间后，将钛合金坯料放入电阻炉中，待温度达到相变点Tβ以上20℃时开始保温；所述钛合金坯料的保温时间为η×δmax，其中：η为钛合金的加热系数，δmax(mm)为坯料最大截面部位的最小厚度；
步骤2、钛合金近等温锻造时模具的加热：对模具采用每隔200℃分段加热并分别保温1-2h的方式加热，模具最终的加热温度为相变点以下10-30℃，然后保温1-2h使温度稳定；
步骤3、钛合金锻造参数的选择：将步骤1保温完成的坯料以不低于2s的速度转移到步骤2保温的模具中进行近等温锻造，其中：变形程度为60％，变形速率为1×10-3s-1，锻后空冷或水冷，再将变形后的试样按800℃/1h、空冷的普通退火处理，完成高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造。
所述钛合金的加热系数η为0.6-1。
所述电阻炉内有效工作区的温差控制在±10℃，钛合金坯料摆放在有效工作区内。
有益效果
本发明提出的一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，将试样加热到Tβ以上一定温度并保温一定的时间后，然后在液压机等温锻造控制***中设定变形参数(变形程度，变形速率)以及变形时模具的加热温度对其进行变形，锻后空冷或水冷，而后将变形后的试样进行普通的退火处理，以保证组织的稳定。本发明方法既提高TC4-DT合金的断裂韧性，又能提高其塑性的β相区近等温锻造工艺，获得一种具有高塑性的片状组织，使其既具有网篮组织的塑性，又具有片状组织固有的优良特性，能满足损伤设计的要求，保证构件在实际应用中性能稳定可靠。
本发明具有以下的优点：与近β锻造和准β锻造相比，在保证塑性的基础上由于最大程度的保留了原始β晶内片状组织的特征而提高了断裂韧性；与准β热处理相比，在保证塑性和断裂韧性的基础上提高了强度；与β热处理相比，在获得同样的断裂韧性的基础上由于原始β晶界α相的破碎而提高了塑性。
具体实施方式
现结合实施例对本发明作进一步描述：
针对TC4-DT合金来说，生产中为了获得更高的损伤容限性能其现行的标准处理为β热处理，相比常规锻造获得的网篮组织来说，获得的片状组织更加均匀，具有更高的断裂韧性和更低的疲劳裂纹扩展速率。然而对于由等轴β晶粒生成的片状组织而言，其连续平直的晶界α相的存在又导致材料塑性的显著降低，影响到疲劳性能和构件的可靠性。为了保证该合金在获得高的损伤容限性能的基础上提高其塑性，可以考虑一种方法使获得的组织具有以下特征：晶内的组织仍为片状组织，以保证其高的断裂韧性和低的裂纹扩展速率，晶界α相则得到破碎，以保证其塑性的提高。我们知道，单纯的热处理无法获得这种组织，所以必须通过变形获得。众所周知，晶界α相是从β相区冷却过程中从β晶界析出而形成的。可以设想在这样的过程中通过施加外力，使析出的晶界α相得到变形和破碎，成为等轴α相，对于晶内α相来说最好能保持其片状组织的形态，这就要求变形结束时的温度与Tβ相比不能太低，同时变形时间也不能太长。温度太低晶界α相析出变多***，增加其被破碎的难度，变形时间太长，会使晶内α相也经受变形，从而不能保证其晶内片状组织的获得。变形时间同样也不能太短，否则晶界α相无法完全得到破碎，降低塑性。由于传统的锻造方法其变形终了温度难以控制，所以可采用等温或近等温锻造的方法保证变形温度的可控性。
本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现的：
对钛合金坯料进行Tβ以上20℃的加热保温。首先将电阻炉采用分段加热的方式加热到Tβ以上20℃并保温保温1-2h时间后，将钛合金坯料放入电阻炉中，待温度达到相变点Tβ以上20℃时开始保温开始计算保温时间，保温时间t(min)＝η×δmax，其中η为加热系数，对不同的合金而言，η的取值也不同，钛合金取0.6-1，δmax(mm)为最大截面的最小厚度。钛合金近等温锻造时模具的加热同样采用分段加热保温的方式，在模具材料许可的情况下模具最终的加热温度在Tβ以下10-30℃范围内，加热到预定温度后保温一定时间使温度稳定。将上述在预定温度加热并保温预定的时间后的坯料以不低于2s的速度转移到模具中进行近等温锻造，锻造参数：变形程度以不低于50％为宜，变形速率为1×10-3s-1，锻后空冷或水冷，再对变形后的试样进行800℃/1h、空冷的普通退火处理。
实施例1
TC4-DT钛合金采用上述β相区近等温锻造工艺后的力学性能可以从表1中看出，与传统的两相区锻造和准β锻造相比,在保证获得良好塑性的基础上，其强度和断裂韧性都得到了提高。
表1β相区近等温锻造与两相区锻造和准β锻造后的力学性能
实施例2
采用与实施例1中相同的材料规格和变形条件，只是将最后的热处理改为两相区的双重退火和固溶时效制度，其各自的力学性能列于表2。从表中可以看出，在变形条件相同的条件下，不同的热处理制度对其性能的影响也很显著，固溶时效虽能大幅度提高强度，但是其断裂韧性却显著降低，仍然不如近等温锻造得到的性能可靠。
表2β相区近等温锻造与不同的热处理制度后的力学性能
实施例3
TC4-DT钛合金采用上述β相区近等温锻造工艺与常规的β热处理和准β热处理工艺的性能对比结果如表3所示。从表3可知，β相区近等温锻造可以获得良好的强度-塑性-韧性的匹配，并且性能稳定可靠，β热处理中虽然也有达到要求的工艺，但是总的来说其综合性能的匹配不如β相区近等温锻造，且性能不稳定。
表3原始组织为等轴组织的TC4-DT钛合金经过不同的热机械处理后的力学性能
Claims (3)
1.一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，其特征在于步骤如下：
步骤1、钛合金坯料的加热保温：对电阻炉采用每隔200℃分段加热并分别保温1-2h的方式加热到相变点Tβ以上20℃，然后保温1-2h时间后，将钛合金坯料放入电阻炉中，待温度达到相变点Tβ以上20℃时开始保温；所述钛合金坯料的保温时间为η×δmax，其中：η为钛合金的加热系数，δmax(mm)为坯料最大截面部位的最小厚度；
步骤2、钛合金近等温锻造时模具的加热：对模具采用每隔200℃分段加热并分别保温1-2h的方式加热，模具最终的加热温度为相变点以下10-30℃，然后保温1-2h使温度稳定；
步骤3、钛合金锻造参数的选择：将步骤1保温完成的坯料以不低于2s的速度转移到步骤2保温的模具中进行近等温锻造，其中：变形程度为60％，变形速率为1×10-3s-1，锻后空冷或水冷，再将变形后的试样按800℃/1h、空冷的普通退火处理，完成高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造。
2.根据权利要求1所述高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，其特征在于：所述钛合金的加热系数η为0.6-1。
3.根据权利要求1所述高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造，其特征在于：所述电阻炉内有效工作区的温差控制在±10℃，钛合金坯料摆放在有效工作区内。
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