CN116377359A - 一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，该工艺包括：一、将钛合金铸锭进行相变点温度以上的多火次开坯及高温锻造，空冷得到钛合金锻件中间体；二、对钛合金锻件中间体进行相变点温度以上的终锻，冷却得到钛合金锻件；三、固溶处理后冷却；四、时效处理后空冷得到钛合金锻件产品。本发明通过在相变点温度以上终锻并采用水冷方式冷却，结合固溶时效处理，使得合适β晶粒尺寸下形成呈网篮分布的细小α相微观结构，且细小α相片层之间析出更加细小的次生α片层，形成复合型网篮组织，从而钛合金锻件成品具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，满足了高强损伤容限型钛合金的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于优化钛合金综合性能技术领域，具体涉及一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺。
背景技术
钛合金作为上世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属材料，在航空航天领域有广泛应用。随着新一代飞机设计理念的变化，材料的损伤容限性能(包括疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性)逐渐成为考核材料能否满足结构设计的重要指标。合金设计过程中，在有效提高钛合金强度的同时，损伤容限水平也要保持在一定水平，因此，高强损伤容限型钛合金成为结构用钛合金的重要发展方向。
近些年来，为了提高钛合金的损伤容限性能，β锻造工艺正以相当快的速度广泛取代传统的常规锻造工艺。β锻造工艺获得的网篮组织由于大量交错排列的片层α相的存在，使得裂纹通过不同位向α集束时不断改变方向，导致裂纹路径曲折、分支多，裂纹总长度增加，扩展需要消耗更多的能量，具有较高的裂纹扩展阻抗能力，因此断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率低。因此，考虑高强高损伤容限设计时一般会把网篮组织作为优选对象。然而，网篮组织存在大幅度降低室温拉伸强度及塑性的缺点，高强钛合金如何通过β锻造工艺来控制材料的显微组织特征，以期达到发挥网篮组织的性能优势，避免其塑性偏低的缺点，解决合金强度与塑性、韧性之间的矛盾，具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺。该工艺通过在相变点温度以上终锻并采用水冷冷却，结合固溶和时效处理，使得β晶粒尺寸下形成呈网篮分布的细小α相微观结构，并在细小α相片层之间析出更加细小的次生α片层，形成复合型网篮组织，从而钛合金锻件成品具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，解决了传统网篮组织大幅度降低室温拉伸塑性的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、将钛合金铸锭进行相变点温度以上的多火次开坯及高温锻造，且锻造过程进行三镦三拔，然后空冷至室温，得到钛合金锻件中间体；
步骤二、对步骤一中得到的钛合金锻件中间体进行相变点温度以上的终锻，且锻造过程进行三镦三拔，然后冷却至室温，得到钛合金锻件；
步骤三、对步骤二中得到的钛合金锻件进行固溶处理，然后冷却至室温；
步骤四、对步骤三中空冷后的钛合金锻件成品进行时效处理，然后空冷至室温，得到钛合金锻件产品。
上述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤二中所述终锻的保温温度为钛合金锻件成品相变点温度以上10℃～50℃，保温时间t＝(d×0.6+23)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件中间体的横截面直径，单位为mm。
上述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤二中所述终锻后的冷却方式为水冷。
上述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的温度为760℃～800℃，保温时间为1h～2h，冷却方式为空冷。
上述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤四中所述时效处理的温度为580℃～620℃，保温时间为4h～8h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明选取在相变点温度以上终锻并采用水冷方式冷却至室温，结合固溶处理得到合适β晶粒尺寸下形成呈网篮分布的细小α相微观结构，既保证了钛合金锻件成品具有良好的塑性又有利于提高其断裂韧性，随后通过时效处理在细小α相片层之间析出更加细小的次生α片层，形成复合型网篮组织，保证钛合金锻件成品具有一定的强度，最终该复合型网篮组织明显改善传统网篮组织大幅度降低室温拉伸塑性的缺点，同时使钛合金锻件成品的强度、塑性及损伤容限性能得到了优化。
2、本发明通过限定终锻的温度为钛合金锻件成品相变点温度以上10℃～50℃，以严格控制钛合金锻件成品中β晶粒尺寸，同时在终锻后采用水冷冷却工艺，有效抑制次生晶内α相的析出和长大，且β晶界处析出针状α，使得在后续的固溶时效处理后α片层更为细密，弥散强化效果更强。
3、本发明工艺加工后的钛合金锻件成品具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率，突破了钛合金强度、塑性与损伤容限性能难以良好匹配的局限，满足了高强损伤容限型钛合金的应用需求。
4、本发明的加工工艺适合用于近β型或亚稳β型高强钛合金锻件的锻造及热处理过程，应用范围广，实用价值高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1中经终锻水冷后得到的Ti5321合金锻件的显微组织图(×100)。
图2为本发明实施例1中经固溶和时效处理后得到的Ti5321合金锻件成品的显微组织图(×500)。
图3为本发明实施例1～2中经固溶和时效处理后得到的Ti5321合金锻件成品的疲劳裂纹扩展速率曲线图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti5321合金铸锭进行多火次开坯及高温锻造，第一火开坯锻造保温温度为1150℃，第二火锻造保温温度为1050℃，第三火锻造保温温度为910℃，锻造保温时间均为2h，且每火锻造过程均进行三镦三拔，然后空冷至室温，得到Ti5321合金锻件中间体；
步骤二、对步骤一中得到的Ti5321合金锻件中间体进行终锻，且锻造过程进行三镦三拔，然后水冷至室温，得到Ti5321合金锻件；所述终锻的保温温度910℃，Ti5321合金锻件中间体横截面直径d为150mm，保温时间t＝120min；
步骤三、对步骤二中得到的Ti5321合金锻件进行固溶处理，然后空冷至室温；所述固溶处理的温度为800℃，保温时间为2h；
步骤四、对步骤三中空冷后的Ti5321合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温，得到Ti5321合金锻件成品；所述时效处理的温度为580℃，保温时间为4h。
图1为本实施例中经终锻水冷后得到的Ti5321合金锻件的显微组织图(×100)，从图1可以看出，采用本实施例的锻造工艺后，Ti5321合金锻件的显微组织由拉长的平行于拔长方向的拉长β晶粒及针状α片组成，β晶粒尺寸很不均匀，大小为100μm～600μm不等，晶界比较模糊，不易分辨，且拉长的β晶粒内部存在很多细小的α片，这是在锻后水冷过程中形核并长大的，由于尺寸细小，在金相显微镜下几乎不可分辨。
图2为本实施例中经固溶和时效处理后得到的Ti5321合金锻件成品的显微组织图(×500)，从图2中可以看出，采用本实施例的锻造和固溶时效热处理工艺后，Ti5321合金锻件成品的显微组织由拔长的β晶粒、不连续的晶界α、丛域结构及网篮结构的晶内α构成，属于复合型网篮组织结构，因此该Ti5321合金锻件成品具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将Ti5321合金铸锭进行多火次开坯及高温锻造，第一火开坯锻造保温温度为1150℃，第二火锻造保温温度为1050℃，第三火锻造保温温度为910℃，锻造保温时间均为2h，且每火锻造过程均进行三镦三拔，然后空冷至室温，得到Ti5321合金锻件中间体；
步骤二、对步骤一中得到的Ti5321合金锻件中间体进行终锻，且锻造过程进行三镦三拔，然后水冷至室温，得到Ti5321合金锻件；所述终锻的保温温度870℃，Ti5321合金锻件中间体横截面直径d为150mm，保温时间t＝120min；
步骤三、对步骤二中得到的Ti5321合金锻件进行固溶处理，然后空冷至室温；所述固溶处理的温度为760℃，保温时间为1h；
步骤四、对步骤三中空冷后的Ti5321合金锻件进行时效处理，然后空冷至室温，得到Ti5321合金锻件成品；所述时效处理的温度为620℃，保温时间为8h。
经检测，采用本实施例的锻造工艺后，Ti5321合金锻件的显微组织由拉长的平行于拔长方向的拉长β晶粒及针状α片组成，β晶粒尺寸很不均匀，大小为100μm～600μm不等，晶界比较模糊，不易分辨，且拉长的β晶粒内部存在很多细小的α片，这是在锻后水冷过程中形核并长大的，由于尺寸细小，在金相显微镜下几乎不可分辨。
经检测，采用本实施例的锻造和固溶时效热处理工艺后，Ti5321合金锻件成品的显微组织由拔长的β晶粒、不连续的晶界α、丛域结构及网篮结构的晶内α构成，属于复合型网篮组织结构，因此该Ti5321合金锻件成品具有较高的强度以及良好的塑性和韧性，同时具有更低的疲劳裂纹扩展速率。
对本发明实施例1～2中经固溶和时效处理后得到的Ti5321合金锻件成品的力学性能进行检测，结果如下表1所示。
表1
从表1可知，经本发明锻造和固溶时效热处理后得到的Ti5321合金锻件成品均具有较高的强度以及良好的塑性和韧性。
图3为本发明实施例1～2中经固溶和时效处理后得到的Ti5321合金锻件成品的疲劳裂纹扩展速率曲线图，从图3可看出，经本发明锻造和固溶时效热处理后得到的Ti5321合金锻件成品具有较低的疲劳裂纹扩展速率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤一、将钛合金铸锭进行相变点温度以上的多火次开坯及高温锻造，且锻造过程进行三镦三拔，然后空冷至室温，得到钛合金锻件中间体；
步骤二、对步骤一中得到的钛合金锻件中间体进行相变点温度以上的终锻，且锻造过程进行三镦三拔，然后冷却至室温，得到钛合金锻件；
步骤三、对步骤二中得到的钛合金锻件进行固溶处理，然后冷却至室温；
步骤四、对步骤三中空冷后的钛合金锻件成品进行时效处理，然后空冷至室温，得到钛合金锻件产品。
2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤二中所述终锻的保温温度为钛合金锻件成品相变点温度以上10℃～50℃，保温时间t＝(d×0.6+23)min～(d×0.6+30)min，其中d为所述钛合金锻件中间体的横截面直径，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤二中所述终锻后的冷却方式为水冷。
4.根据权利要求1所述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的温度为760℃～800℃，保温时间为1h～2h，冷却方式为空冷。
5.根据权利要求1所述的一种提高钛合金损伤容限性能的加工工艺，其特征在于，步骤四中所述时效处理的温度为580℃～620℃，保温时间为4h～8h。
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