CN114892110A - 一种钛合金tb10棒材的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金TB10棒材的热处理方法,该方法包括固溶和时效用电阻炉稳定性检测、新型冷却介质、固溶时出炉到冷却介质的转移时间、固溶温度与时间、时效温度与时间要求等步骤。通过该热处理方法制备的TB10钛合金棒材,抗拉强度(Rm)不小于1200MPa,冲击韧性(αKU)不小于45J/cm2,为高强度高冲击韧性材料,可应用于航空、航天、石油、舰船与化工等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛合金棒材的热处理方法,具体设计一种高强度高冲击韧性钛合金TB10棒材的热处理方法。
背景技术
高强钛合金通常指抗拉强度Rm在1100MPa以上的钛合金,主要包含TC18、TC21、TB6、TB2及TB10等合金。TC18合金名义成分是Ti-5Mo-5V-lCr-5Al-1Fe,俄罗斯牌号是BT22,是苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、高强度近β型钛合金,兼具α+β和β型钛合金的性能特点。退火状态TC18合金α相和β相的含量几乎相等,强度Rm可达到1080MPa,双重退火状态的强度Rm在1100MPa以上,主要用于大型锻件和大型整体构件。TC21合金是在美国Ti-62222S合金基础上发展起来的,名义成分为Ti-6Al-2Mo-2Zr-2Sn-2Nb-1.5Cr,具有高强(Rm≥1100MPa)、高韧(KIC为70~90MPa·m1/2)、损伤容限型(较低的裂纹扩展速率da/dN)、可焊的α+β型两相钛合金。TB6合金的名义成分是Ti-10V-2Fe-3Al,美国牌号为Ti-1023,是美国Timet公司于1971年研制成功,迄今为止应用最为广泛的一种高强韧近β钛合金。合金经热处理后抗拉强度Rm为965~1310MPa,KIC为99~33MPa·m1/2,有较好的强韧性匹配关系。但是,该合金中存在2%的慢共析元素Fe,在熔炼时容易因成分偏析产生“β斑点”限制了该合金的应用和发展。20世纪70年代以来,北京有色金属研究总院自主研制的Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al(TB2)和Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al(TB10)在航空航天领域获得了应用。TB2合金主要通过Mo,Cr和V稳定β相,同时V的添加有利于提高合金的塑性。TB2合金经该工艺处理后,其时效后的Rm在1100-1300MPa,断后延伸率A在12%左右。固溶时效状态下具有高的强度和良好的塑性匹配。但这种合金作为大型锻件时,锻造抗力较大,需要在1000℃的高温下锻造,但也难以保证整个截面获得足够的变形量。TB10钛合金是在TB2合金研制基础上,通过降低Cr含量,获得的高强高韧近β型钛合金。该合金中β稳定元素总含量在临界浓度附近,使得合金兼有(α+β)合金和亚稳定β型合金的性能特征,具有比强度高,断裂韧度好等特点。
钛及钛合金热处理包括退火、双重退火、固溶时效,冷却方式通常有空冷、炉冷、水淬、风冷。近β和亚稳定β型钛合金,热处理方式通常是退火或者固溶时效,当材料的抗拉强度Rm要求900~1050MPa,β型钛合金产品通常采用退火工艺,当材料的抗拉强度Rm要求不小于1100MPa时,β型钛合金产品采用固溶时效工艺。固溶时效工艺分两步实施:第一步是固溶,钛合金产品加热到相变点上下,目的是让合金元素回溶(两相区固溶)或重新形成β晶粒(β相区固溶),然后冷却到室温;第二步是时效,钛合金产品加热到400~600℃,并保温一段时间,让α相重新析出。在固溶过程中,为了阻止合金元素重新析出,钛合金产品通常采用快冷方式:水淬、风冷或者空冷。
某航空零部件采用TB10钛合金棒材,不仅要求室温抗拉强度Rm不小于1200MPa,还要求冲击韧性αKU不小于45J/cm2。TB10钛合金棒材固溶冷却采用空冷或者水淬时,无法同时满足“室温抗拉强度不小于1200MPa,冲击韧性αKU不小于45J/cm2”因此,本发明拟采用一种全新的TB10钛合金棒材固溶时效工艺,满足航空零部件的性能要求。
发明内容
本发明提供一种生产高强度、高冲击韧性的钛合金TB10棒材的热处理方法。
为实现上述目的,本发明包括如下技术方案:
一种钛合金TB10棒材的热处理方法,该方法包括如下步骤:
(1)检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在700~850℃范围内,保温0.5h以上后温度波动不超过5℃;
(2)检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在400~600℃范围内,保温2h以上后温度波动不超过3℃;
(3)选择30号机油为冷却介质,冷却介质在容器里的体积不小于60%;
(4)TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为730~770℃,保温时间不小于0.5h;
(5)TB10棒材固溶出炉转移到冷却介质,转移时间不大于3min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度不大于80℃取出,然后除油;
(6)TB10棒材进行时效处理,时效温度为490~560℃,保温时间不小于2h;
(7)车光棒,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性检测,合格后,成品。
优选的,
步骤(4)中,固溶温度范围为740~760℃,保温时间不小于1h。
步骤(5)中,转移时间不大于2min。
步骤(6)中,时效温度范围为500~550℃,保温时间不小于4h。
本发明的有益效果:根据本发明方法制备的钛合金TB10棒材,室温抗拉强度Rm不小于1200MPa,冲击韧性αKU不小于45J/cm2,满足特殊领域零件对材料性能的需求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但不局限于说明书上的内容。
实施例1
一种钛合金TB10棒材的热处理,工序如下:
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm厚不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择30号机油,30号机油在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×400(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为750℃,保温时间为1.5h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到30号机油中,转移时间为2min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为50℃时取出,然后除油;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为520℃,保温时间为6h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品1。
实施例2
一种钛合金TB10棒材的热处理,工序如下:
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm后不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择30号机油,30号机油在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×360(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为740℃,保温时间为1h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到30号机油中,转移时间为3min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为80℃时取出,然后除油;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为540℃,保温时间为4h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品2。
对比例1
一种钛合金TB10棒材的热处理,工序如下:
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm后不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择水,水在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×400(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为750℃,保温时间为1.5h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到水中,转移时间为2min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为50℃时取出;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为550℃,保温时间为4h;
(7)、车光棒,A级探伤,成品尺寸为Φ130mm,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品3。
对比例2
一种钛合金TB10棒材的热处理,工序如下:
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却介质为空气,不需要冷却容器;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材的固溶温度为750℃,保温时间为1.5h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到空气中,转移时间为0.5min;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材时效温度为520℃,保温时间为6h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品4。
对比例3
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm后不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择30号机油,30号机油在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×360(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为740℃,保温时间为1h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到30号机油中,转移时间为4min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为80℃时取出,然后除油;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为540℃,保温时间为4h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品5。
对比例4
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm厚不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择30号机油,30号机油在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×400(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为720℃,保温时间为1.5h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到30号机油中,转移时间为2min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为50℃时取出,然后除油;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为520℃,保温时间为6h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品6。
对比例5
(1)、检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在740~760℃范围内,保温1h后温度波动不超过5℃;
(2)、检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在500~550℃范围内,保温4h后温度波动不超过3℃;
(3)、冷却容器为3mm厚不锈钢槽,尺寸为:2000(长)×800(宽)×600(高)mm,冷却介质选择30号机油,30号机油在容器里的体积为2000(长)×800(宽)×400(高)mm;
(4)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为750℃,保温时间为1.5h;
(5)、Φ150mm钛合金TB10棒材固溶出炉转移到30号机油中,转移时间为2min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度为50℃时取出,然后除油;
(6)、Φ150mm钛合金TB10棒材进行时效处理,时效温度为480℃,保温时间为6h;
(7)、车光棒,成品尺寸为Φ130mm,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性,得到样品7。
将样品1、样品2、样品3、样品4、样品5、样品6和样品7加工成标准棒材拉伸试样和U型缺口冲击试样。试验在AG50KNE试验机和金属摆锤冲击试验机上完成,结果如表1所示。通过比较可知:样品1和样品2均是按照本发明进行热处理,抗拉强度Rm都大于1200MPa,冲击韧性αKU大于45J/cm2;样品3固溶冷却介质为水,其抗拉强度Rm大于1200MPa,冲击韧性αKU小于45J/cm2;样品4固溶冷却介质为空气,其抗拉强度Rm小于1200MPa,冲击韧性αKU大于45J/cm2;样品5固溶出炉后转移到冷却介质的时间大于3min,其抗拉强度Rm小于1200MPa,冲击韧性αKU等于45J/cm2;样品6固溶温度低于本发明设定的温度范围,其抗拉强度Rm小于1200MPa,冲击韧性αKU大于45J/cm2;样品7时效温度低于本发明设定的温度范围,其抗拉强度Rm大于1200MPa,冲击韧性αKU小于45J/cm2。
表1
性能 | 样品1 | 样品2 | 样品3 | 样品4 | 样品5 | 样品6 | 样品7 |
R<sub>m</sub>/MPa | 1240 | 1250 | 1260 | 1150 | 1190 | 1160 | 1210 |
α<sub>KU</sub>/J/cm<sup>2</sup> | 50 | 49 | 34 | 47 | 45 | 48 | 43 |
结果表明,通过本发明的热处理方法制备的TB10钛合金棒材,抗拉强度(Rm)不小于1200MPa,冲击韧性(αKU)不小于45J/cm2。该钛合金棒材具有较高的抗拉强度,非常优异的冲击韧性,可应用于航空、航天、石油、舰船与化工等领域。
显然,本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种钛合金TB10棒材的热处理方法,包括如下步骤:
(1)检测固溶用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在700~850℃范围内,保温0.5h后温度波动不超过5℃;
(2)检测时效用电阻炉的稳定性,要求电阻炉在400~600℃范围内,保温2h后温度波动不超过3℃;
(3)选择30号机油为冷却介质,冷却介质在容器里的体积不小于60%;
(4)TB10棒材进行固溶处理,固溶温度为730~770℃,保温时间不小于0.5h;
(5)TB10棒材固溶出炉转移到冷却介质,转移时间不大于3min,棒材完全没入冷却介质中,直至冷却介质温度不大于80℃取出,然后除油;
(6)TB10棒材进行时效处理,时效温度为490~560℃,保温时间不小于2h;
(7)车光棒,A级探伤,检测室温力学性能和冲击韧性检测,合格后,成品。
2.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于:步骤(4)中,固溶温度范围为740~760℃,保温时间不小于1h。
3.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于:步骤(5)中,转移时间不大于2min。
4.根据权利要求1所述的热处理方法,其特征在于:步骤(6)中,时效温度范围为500~550℃,保温时间不小于4h。
5.根据权利要求1所述的高热处理方法,其特征在于:钛合金TB10棒材成品的室温抗拉强度Rm不小于1200MPa,冲击韧性αKU不小于45J/cm2。
6.一种钛合金TB10棒材,其特征在于:采用如权利要求1-5中任一项所述的热处理方法制备。
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Citations (4)
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---|---|---|---|---|
US6127044A (en) * | 1995-09-13 | 2000-10-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method for producing titanium alloy turbine blades and titanium alloy turbine blades |
JP2013133511A (ja) * | 2011-12-27 | 2013-07-08 | Thk Co Ltd | チタン材料、及びこのチタン材料を構成部材に含む転動装置 |
CN109371268A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-02-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种高温、高热稳定性、高蠕变抗力钛合金棒材的制备方法 |
CN112410697A (zh) * | 2020-10-23 | 2021-02-26 | 北京航空航天大学 | 一种基于纳米畴的高强韧钛合金热处理方法 |
-
2022
- 2022-04-13 CN CN202210388083.0A patent/CN114892110A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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Title |
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