CN108374136B - 一种提高tc4钛合金强度和塑性的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，具体步骤如下：将TC4钛合金在(α+β)/β转变温度以下40‑50℃保温，快速出炉后水冷至室温，然后进行3％‑7％的冷拉伸塑性变形，最后将冷拉伸塑性变形后的TC4钛合金在450‑500℃时效处理3‑4h出炉后空冷至室温即可。本发明所提供的热处理方法的原理在于通过冷变形过程中保留的位错等缺陷为时效过程中次生α相的析出提供更多的形核质点，提高次生α相的形核率，促进时效过程中次生α相的析出，使得合金组织细小且均匀分布；与常规固溶+时效的热处理工艺相比，本发明所采用的固溶+冷变形+时效强化工艺更有利于提高TC4钛合金的强度，同时保持很高的塑性。此外，本发明的热处理方法还具有工艺简单且易于操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料的热处理工艺，特别涉及一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法。
背景技术
α+β型的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金是最早开发并成功得到应用的钛合金材料，也是迄今为止应用最广泛的钛合金，该合金的比强度高、耐高温性能以及耐低温性能好且不易被腐蚀，因此在航空航天、海洋资源勘探与开发、医用植入体以及油气田钻井设备等领域被广泛使用。
但是，由于TC4钛合金强度属中等，塑韧性较低，因此仍不能满足某些特殊情况下构件的性能要求。目前常采用固溶+时效的热处理工艺对TC4钛合金进行强化，TC4钛合金经过常规热处理强化后，抗拉强度可达到1015-1170MPa，然而此强度范围仍然不能满足某些高强结构件的性能要求，因此，相关科技工作者开发出机械热处理工艺(即高温形变热处理)对TC4钛合金进行强化，试图借助变形过程中产生的位错等缺陷促进时效过程中次生α相的析出，从而提高钛合金的强度。可是，由于高温形变热处理中的变形阶段要在很高的温度下进行，在变形过程中会发生动态回复和动态再结晶，这会使得变形过程中产生的位错等晶体缺陷大大减少甚至消失，冷却后能保留到室温的缺陷也很少，对后续时效过程中促进第二相析出的作用不显著，这样并不能大幅提高合金的力学性能。除热处理强化外，还可通过大塑性变形以及合金化的方式来提高TC4钛合金的强度，但是这些方法在提高合金强度的同时，会不同程度地降低合金的塑性，从而导致合金的韧性很差，仍然不能满足高强韧钛合金结构件的性能要求。
因此，为了获得更高强度的TC4钛合金，并保持其优异的塑韧性，使其安全性能够得到提高，应用领域能够得到拓宽，开发一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法是非常有必要的。
发明内容
针对上述现有技术在强化TC4钛合金方面存在的不足，本发明提出了一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法。实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)将TC4钛合金在(α+β)/β转变温度以下40-50℃保温，保温时间按公式t＝η×hmax计算，其中η为加热系数，通常取0.25-0.7mm/min，hmax为零件的最大有效厚度，单位为mm，保温时间t的单位为min；
(2)将按步骤(1)保温后的TC4钛合金快速出炉后水冷至室温；
(3)将按步骤(2)冷却后的TC4钛合金进行3％-7％的冷塑性变形；
(4)将按步骤(3)冷塑性变形后的TC4钛合金在450-500℃时效处理3-4h出炉后空冷至室温。
优选地，所述冷塑性变形为冷拉伸，所述零件需要到温入炉。
本发明的原理如下：
本发明采用固溶+预冷变形+时效(形变和时效协同作用)的方式对TC4钛合金进行强化，由于冷变形过程是在室温下进行的，因此不会出现动态回复与动态再结晶而损耗变形过程中产生的位错等缺陷，这些保留的缺陷可以促进时效过程中次生α相的析出，提高次生α相的形核率，使得合金获得细小且均匀分布的组织，从而获得较高的强度和塑性。
相比于现有的TC4钛合金强化工艺，本发明具有如下优点：
1.本发明能够大幅度提高TC4钛合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率；与常规的固溶+时效热处理相比，TC4钛合金经过本发明所述的热处理工艺强化后，屈服强度和抗拉强度能够提高50-120MPa左右，延伸率能够提高3％左右。
2.本发明可以解决合金强度提高时塑性下降的矛盾，从而使合金获得高强度和高韧性的优异综合性能，为生产高强高韧的钛合金奠定坚实的基础。
3.本发明的成本低廉：冷塑性变形所采用的设备为常用的拉伸机，热处理所用的设备为常用热处理炉，工艺简单且易于操作。
附图说明
图1为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，不经冷变形而直接在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织；
图2为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过3％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织；
图3为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过5％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织；
图4为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过7％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织；
图5为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过不同变形量变形后再分别在500℃下时效4h后的强度变化曲线。
图6为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过不同变形量变形后再分别在500℃下时效4h后的塑性变化曲线。
具体实施方式
下面进一步结合实施例和附图以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，示例中具体的质量、反应时间和温度、工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
所有零件的处理方法如下：
(1)先将TC4钛合金在940℃(视合金具体成分而定，一般选择(α+β)/β转变温度以下40-50℃的双相区为宜)下保温，保温时间按公式t＝η×hmax计算，其中η为加热系数，一般取0.25-0.7mm/min，hmax为零件的最大有效厚度，单位为：mm，保温时间t的单位为：min；
(2)将按步骤(1)保温后的钛合金快速出炉水冷至室温；
(3)将按步骤(2)冷却后的零件进行3％-7％的冷拉伸塑性变形；
(4)将按步骤(3)冷变形后的合金在450-500℃下时效3-4h后出炉空冷。
实施例1
图2为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过3％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织图。与固溶后不经冷变形而直接时效的组织(参照图1)相比，固溶后经过冷变形再时效的组织中，等轴初生α相的直径减小，时效过程中析出的片状次生α相含量增多，说明预变形能够促进时效过程中次生α相的析出。采用WDW-1000型微机控制电子万能实验机在室温下以1.3×10-3s-1的应变速率对零件的拉伸性能进行测试发现，合金固溶后不经冷变形而直接时效的屈服强度σ0.2约为1040MPa，抗拉强度σb为1106MPa，而固溶后经过3％变形量冷变形后再时效的零件则取得1162MPa之高的屈服强度和1205MPa的抗拉强度，屈服强度和抗拉强度分别比固溶后未经冷变形而直接时效的合金提高了11.73％和8.93％，参照图5；延伸率δ从15.6％提高到18.8％，断面收缩率ψ由37.6％提高到41％，参照图6。
实施例2
图3为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过5％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织图。与固溶后不经冷变形而直接时效的组织(参照图1)相比，固溶后经过冷变形再时效的组织中，等轴初生α相的直径也减小，时效过程中析出的片状次生α相含量增多，说明预变形能够促进时效过程中次生α相的析出，但长宽比稍大些。采用WDW-1000型微机控制电子万能实验机在室温下以1.3×10-3s-1的应变速率对零件进行拉伸性能测试，结果表明，固溶后经过5％变形量冷变形后再时效的零件的屈服强度为1166MPa，抗拉强度为1210MPa，屈服强度和抗拉强度分别比固溶后未经冷变形而直接时效的合金提高了12.12％和9.4％，参照图5；延伸率和断面收缩率与固溶后未经冷变形而直接时效的零件相当，参照图6。
实施例3
图4为TC4钛合金在940℃下保温30min后水冷，经过7％的冷拉伸变形后在500℃下时效4h后放大500倍的金相组织图。与固溶后不经冷变形而直接时效的组织(参照图1)相比，固溶后经过冷变形再时效的组织中，等轴初生α相的直径也减小，时效过程中析出的片状次生α相含量增多，且尺寸较小，说明预变形能够促进时效过程中次生α相的析出。采用WDW-1000型微机控制电子万能实验机在室温下以1.3×10-3s-1的应变速率对零件的拉伸性能进行测试发现，固溶后经过7％变形量冷变形后再时效的零件的屈服强度为1176MPa，抗拉强度为1220MPa，屈服强度和抗拉强度分别比固溶+时效的合金的强度提高了13.08％和10.31％，参照图5；延伸率从15.6％提高到18％，断面收缩率ψ由37.6％提高到41％，参照图6。
综上所述，对比图5和图6可看出，采用固溶+冷变形+时效的热处理工艺可以显著提高TC4钛合金的强度，同时还能提高其塑性，是一种很适合工业用的热处理强化工艺。
Claims (1)
1.一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将TC4钛合金在 (α+β)/β转变温度以下40-50 °C保温，保温时间按公式t=η×hmax计算，其中η为加热系数，取0.25-0.7 mm/min，hmax为零件的最大有效厚度，单位为mm，保温时间t的单位为min；
（2）将按步骤（1）保温后的TC4钛合金快速出炉后水冷至室温；
（3）将按步骤（2）冷却后的TC4钛合金进行3%-7%的冷塑性变形，所述冷塑性变形为冷拉伸，所述零件需要到温入炉；
（4）将按步骤（3）冷拉伸塑性变形后的TC4钛合金在450-500 °C时效处理3-4 h出炉后空冷至室温。
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