CN108677116B - 一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善Ti‑6Al‑4V合金低温超塑性的加工方法，属于冶金技术领域，工艺步骤：1)将Ti‑6Al‑4V合金轧制板材表面进行机械打磨；2)将打磨后的Ti‑6Al‑4V合金板材进行搅拌摩擦加工，得到加工后的Ti‑6Al‑4V合金；本发明中采用较低热输入参数对轧态Ti‑6Al‑4V合金进行搅拌摩擦加工处理，在加工过程中搅拌区峰值温度小于或等于β相转变温度，消除了其他剧烈塑性变形过程中产生的强织构，制备出大角度晶界占主导地位的等轴超细晶Ti‑6Al‑4V合金，大大提高了在低温条件下Ti‑6Al‑4V合金的超塑性，同时降低能耗和节省工具损耗。

Description

一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法。
背景技术
Ti-6Al-4V合金因其具有较高的比强度和优异的高温性能而被广泛应用于航空航天、能源和汽车产业，然而，因其在室温下的冷加工性能较差，使用Ti-6Al-4V合金制造薄壁或复杂结构部件仍然存在限制。
超塑成形是一种可以有效解决此类问题的工艺，然而，Ti-6Al-4V合金的超塑成型温度较高(850～950℃)，加速模具损耗，浪费能源。剧烈塑性变形(severe plasticdeformation，SPD)可以实现显著的晶粒细化，从而降低超塑成形温度，进而实现节能降耗的目的。已有研究表明，采用等通道转角挤压(equal channel angular pressing，ECAP)、高压扭转(high pressure torsion，HPT)以及多向锻造(multidirectional forging，MF)等技术制备出了超细晶Ti-6Al-4V合金，实现了不错的超塑性，但是，以上几种剧烈塑性变形方法制备的超细晶组织具有很强的织构，不利于晶界滑动和超塑性的实现。
在搅拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)基础上发展而来的搅拌摩擦加工技术(friction stir processing，FSP)是另外一种可以实现晶粒细化的SPD技术，该方法使加工区材料在搅拌摩擦加工过程产生剧烈塑性变形、破碎、混合和热暴露，从而实现微观结构的致密化、均匀化和细化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，本发明的技术方案如下：
一种Ti-6Al-4V合金，其化学组成按质量百分比为：Al：5.5～6.8％，V：3.5～4.5％，Fe：0.3％，C：0.1％，N：0.05％，H：0.015％，O：0.2％，余量为Ti。
一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，包括以下工艺步骤：
(1)将Ti-6Al-4V合金轧制板材表面进行机械打磨；
(2)将打磨后的Ti-6Al-4V合金板材在搅拌头旋转速度为120～200rpm，搅拌头前进速度为30～50mm/min下进行搅拌摩擦加工，得到加工后的Ti-6Al-4V合金。
上述一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，其中：
所述步骤1中，机械打磨的目的是消除合金表面氧化层。
所述步骤2中，搅拌区峰值温度小于或等于β相转变温度，使大角度晶界(取向角>15°)含量为80～90％。
所述步骤2中，加工后的Ti-6Al-4V合金组织为无明显择优取向的等轴超细晶。
上述加工方法得到的Ti-6Al-4V合金，超塑成型温度为600～650℃，在此温度下的最大延伸率为1150～1400％。
上述一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，与现有技术相比，有益效果如下：
本发明中采用较低热输入参数对轧态Ti-6Al-4V合金进行搅拌摩擦加工处理，在加工过程中搅拌区峰值温度小于或等于β相转变温度，发生了充分的动态再结晶，从而消除了其他剧烈塑性变形过程中产生的强织构，制备出大角度晶界占主导地位的等轴超细晶Ti-6Al-4V合金。无明显择优取向的等轴超细晶组织，利于超塑变形过程中的晶界滑动，将Ti-6Al-4V合金传统超塑成型温度(～900℃)降低到600～650℃，并在此温度范围内实现了Ti-6Al-4V合金已知的最大延伸率(1400％)，大大提高了在低温条件下Ti-6Al-4V合金的超塑性，同时降低能耗和节省工具损耗。
附图说明
图1本发明实施例1中Ti-6Al-4V合金轧态组织。
图2本发明实施例1制备的Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦加工后组织EBSD晶界分布图。
图3本发明实施例1制备的Ti-6Al-4V合金600℃条件下拉伸断裂后试样形貌。
具体实施方式
本发明实施例中采用的Ti-6Al-4V合金轧制板材为市售产品。
本发明实施例中采用FSW-LM-AL25小型龙门式搅拌摩擦焊设备。
实施例1
本实施例Ti-6Al-4V合金的化学组成按质量百分比为：Al：6.27％，V：4.2％，Fe：0.3％，C：0.1％，N：0.05％，H：0.015％，O：0.2％，余量为Ti。
一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，包括以下工艺步骤：
(1)将Ti-6Al-4V合金轧制板材表面进行机械打磨，消除合金表面氧化层；
(2)将打磨后的Ti-6Al-4V合金板材在搅拌头旋转速度为120rpm，搅拌头前进速度为30mm/min下进行搅拌摩擦加工，搅拌区峰值温度小于β相转变温度，使大角度晶界含量为80～90％，得到无明显择优取向的等轴超细晶Ti-6Al-4V合金。
本实施例加工得到的Ti-6Al-4V合金，超塑成型温度为600℃，在此温度条件下实现了最大的延伸率为1400％；Ti-6Al-4V合金轧态组织如图1所示，白色区域与灰色区域分别代表α相和晶间β相，可以看出钛合金在室温下的轧态组织由拉长的α相和少量的晶间β相(～10％，Vol％)组成；搅拌摩擦加工后的合金组织如图2所示，白色区域为α相，黑色块状区域为β相，可以看出，该组织由等轴状α相和少量的分布α相晶界处的β相组成；加工后的合金在600℃条件下拉伸断裂后的形貌如图3所示，可以看出试样表现出了优异的超塑流动性，无明显颈缩的发生，得到了极好的超塑性。
实施例2
本实施例Ti-6Al-4V合金的化学组成按质量百分比为：Al：6.27％，V：4.2％，Fe：0.3％，C：0.1％，N：0.05％，H：0.015％，O：0.2％，余量为Ti。
一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，包括以下工艺步骤：
(1)将Ti-6Al-4V合金轧制板材表面进行机械打磨，消除合金表面氧化层；
(2)将打磨后的Ti-6Al-4V合金板材在搅拌头旋转速度为150rpm，搅拌头前进速度为50mm/min下进行搅拌摩擦加工，搅拌区峰值温度小于β相转变温度，使大角度晶界含量为80～90％，得到无明显择优取向的等轴超细晶Ti-6Al-4V合金。
本实施例加工得到的Ti-6Al-4V合金，超塑成型温度为650℃，在此温度条件下实现了最大的延伸率为1220％。
实施例3
本实施例Ti-6Al-4V合金的化学组成按质量百分比为：Al：6.27％，V：4.2％，Fe：0.3％，C：0.1％，N：0.05％，H：0.015％，O：0.2％，余量为Ti。
一种改善Ti-6Al-4V合金低温超塑性的加工方法，包括以下工艺步骤：
(1)将Ti-6Al-4V合金轧制板材表面进行机械打磨，消除合金表面氧化层；
(2)将打磨后的Ti-6Al-4V合金板材在搅拌头旋转速度为200rpm，搅拌头前进速度为50mm/min下进行搅拌摩擦加工，搅拌区峰值温度接近β相转变温度，使大角度晶界含量为80～90％，得到无明显择优取向的等轴超细晶Ti-6Al-4V合金。
本实施例加工得到的Ti-6Al-4V合金，超塑成型温度为600℃，在此温度条件下实现了最大的延伸率为1150％。

Claims (1)

1.一种改善 Ti-6Al-4V 合金低温超塑性的加工方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
（1）将Ti-6Al-4V合金轧制板材表面进行机械打磨；其中，所述的Ti-6Al-4V合金轧制板材的化学组成按质量百分比为：Al：5.5~6.8%，V：3.5~4.5%，Fe：0.3%，C：0.1%，N：0.05%，H：0.015%，O：0.2%，余量为 Ti；
（2）将打磨后的Ti-6Al-4V合金板材在搅拌头旋转速度为150~200rpm，搅拌头前进速度为50mm/min下进行搅拌摩擦加工，得到加工后的Ti-6Al-4V合金；其中，所述的搅拌摩擦加工过程中搅拌区峰值温度小于或等于β相转变温度，可得到无明显择优取向的等轴超细晶组织，同时其大角度晶界含量高达80~90%；采用所述方法加工后的Ti-6Al-4V合金的超塑成型温度为600~650℃，在此温度范围下的最大延伸率为1150~1400%。
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