CN116900624A - 一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 - Google Patents
一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116900624A CN116900624A CN202310332747.6A CN202310332747A CN116900624A CN 116900624 A CN116900624 A CN 116900624A CN 202310332747 A CN202310332747 A CN 202310332747A CN 116900624 A CN116900624 A CN 116900624A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bar
- titanium alloy
- isostatic pressing
- hot isostatic
- welding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 50
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 49
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 43
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 230000032683 aging Effects 0.000 claims description 9
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 4
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 7
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012502 risk assessment Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Forging (AREA)
Abstract
一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，属于航空发动机适航认证评估领域，具体步骤为：(1)将待植入的棒材进行切割处理并进行表面粗糙度优化处理；(2)将处理后的两段棒材在端面预定位置处进行打孔，然后将缺陷置入孔中；(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理；(4)对封焊后的棒材进行热等静压处理；(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织；(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，从而制备出内含夹杂缺陷的钛合金棒材。本发明首次提出采用界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含硬质α夹杂钛合金棒材的方法，可保证后续实验结果的准确性以及适航认证相关研究的顺利进行。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机适航认证评估领域，具体涉及一种界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含硬质α夹杂的钛合金棒材的方法。
背景技术
随着科学技术和管理体系的不断发展和日益完善，现代航空发动机，无论是军机还是民航客机均向着高性能、高可靠性和安全性的方向发展。安全性是民用航空发动机的核心，虽然采用“安全寿命”设计方法可以提高部件的低周疲劳寿命，降低航空发动机的失效事故，然而，非包容性事故仍然偶尔发生，飞行事故多与钛合金构件的冶金质量有着直接的关系，主要是钛合金在熔炼、加工等过程引入缺陷导致的。据FAA相关数据统计，从1962年至1990年间，美国共有25起飞行事故是由于熔炼工艺导致的，其中19起是因为钛合金中的硬质α夹杂缺陷引起的，显然钛合金中的硬质α夹杂缺陷已经成为钛合金构件材料失效的主要因素之一。
要开展缺陷检出概率及概率风险评估研究，首先就是要获得钛合金棒材内部夹杂尺寸及锻造过程中夹杂的形态演变规律。但是，目前国内尚无内含硬质α夹杂钛合金棒材研制的相关报道，因此，无法开展钛合金中缺陷检出概率及其风险评估，成为影响航空发动机的适航认证的关键因素之一。目前最为接近的报道来自于一项中国发明专利：一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法(公开号CN110295291A)，该方法包括以下步骤：(1)采用常规真空自耗熔炼技术进行两次熔炼，获得钛合金铸锭；(2)将两次熔炼的铸锭进行锻造，制备成一定规格的棒材；(3)将棒材沿着中部锯切，并对锯切面进行抛磨处理；(4)在切割面处进行钻孔，并将硬质α夹杂放置孔内；(5)采用氩弧焊将切割后的棒材沿着切割面进行焊接，(6)对合金后的钛合金棒材进行一次真空自耗熔炼，获得的铸锭进行锻造即可制备内含硬质夹杂的钛合金棒材。但是通过进行相关试验发现，该方法存在明显的制备缺陷：1)由于采用熔炼法进行制备，在熔炼过程中用于熔池的流动以及沸腾，导致制备的棒材内部缺陷位置随机、不可控，无法进行后续的加工进而开展研究工作；2)将铸锭进行锻造后，使得内部缺陷形态发生改变，甚至发生了碎裂，从而后续实验结果出现明显的分散性，无法支撑适航认证的研究工作；3)由于两段棒材采用氩弧焊进行局部封焊，在熔炼时棒材焊接处极易发生熔化而使得棒材断裂，造成安全事故；4)由于熔炼过程较快，夹杂未与基体材料发生充分的扩散而形成良好的冶金结合，从而为后续实验引入了较大的误差。
综上所示，现有技术无法制备出符合适航认证用含夹杂棒材。针对上述问题以及现阶段我国对适航认证的迫切需求，本发明提出了一种界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含硬质α夹杂钛合金棒材的方法。
发明内容
为了满足目前国内航空发动机适航认证的需要，本发明的目的是提供一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，采用该方法可以在不损失母材强度的同时，制备出内含夹杂的钛合金棒材，并且棒材界面处的性能也不会对后续实验产生影响。采用该方法制备的内含缺陷棒材可应用于***研究锻造过程中硬质α夹杂的形态、尺寸的变化规律，为发动机适航取证提供重要的技术支撑。
本发明的技术方案为：
一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待植入的棒材进行切割处理，并将棒材表面进行表面粗糙度优化处理，使棒材切割面的表面粗糙度Ra满足0.1μm＜Ra＜1μm；
(2)将处理后的两段棒材在端面预定位置处进行打孔，保证缺陷可完全植入其中，将缺陷置入孔中；
(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理，焊接深度小于棒材直径的3％；
(4)将封焊后的棒材置于热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压温度为β转变温度±30℃，热等静压压力为150MPa-200MPa，热等静压时间为1h-2h；
(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织；
(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，具体制度依据所选用的钛合金棒材特性决定，从而制备出内含夹杂缺陷的钛合金棒材。
作为优选的技术方案：
步骤(1)中，所用棒材直径大于10mm。
步骤(2)中，所述孔的直径与棒材直径比例应小于1：5；所述缺陷为TiN、TiO2硬质α夹杂。
步骤(3)中，电子束焊接工艺参数为：加速电压150KV-180KV，聚焦电流2050mA-2100mA，焊接电流80mA-100mA，焊接速度8mm/s-12mm/s。
步骤(6)中，界面元素强化扩散处理方法为固溶处理、时效处理或固溶+时效处理。其中所述固溶处理为在850℃-980℃下保温1h-2h，时效处理为在650℃-800℃下保温2h-4h，固溶+时效处理为在850℃-980℃下保温1h-2h后，再在650℃-800℃下保温2h-4h。
本发明首次提出采用界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含硬质α夹杂钛合金棒材的方法，具有如下优点及有益效果：
(1)采用本发明提供的方法，可以通过界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含硬质α夹杂钛合金棒材，为缺陷形态变化规律、缺陷检出概率的研究奠定了材料基础，为航空发动机适航认证提供技术支持。
(2)本发明不受钛合金材料和夹杂类型的限制，可根据适航认证的需求应用于航空发动机所涉及的多种牌号钛合金含夹杂棒材的制备。
(3)本发明克服了现有技术存在的缺点，可保证后续实验结果的准确性以及适航认证相关研究的顺利进行。
附图说明
图1为实施例1制备的内含缺陷的TC4钛合金棒材。
图2为实施例1制备的内含缺陷TC4钛合金拉伸试样。
图3为实施例1制备的内含缺陷TC4钛合金疲劳试样。
图4为对比例1采用熔炼法制备的内含缺陷TC4钛合金棒材。
图5为对比例1所述棒材中夹杂与基体未实现冶金结合示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
本实施例中，一种界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含TiN夹杂TC4钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)将待植入的棒材进行切割处理，并将棒材表面进行表面粗糙度优化处理，使棒材切割面的Ra(表面粗糙度)为0.5μm；
(2)将处理后的两段棒材的切割面预定位置处进行打孔(孔的直径与棒材直径比例小于1：5)，保证缺陷完全植入其中，将夹杂缺陷置入孔中；
(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理，焊接深度为4mm，棒材直径为140mm，电子束焊接工艺参数为：加速电压180KV，聚焦电流2070mA，焊接电流100mA，焊接速度11mm/s；
(4)将封焊后的棒材置于热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压温度为960℃，热等静压压力为160MPa，热等静压时间为2h；
(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织，
(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，处理制度为960℃/2h+730℃/4h，从而制备出了内含夹杂缺陷的钛合金棒材(如图1所示)，制备的棒材界面处的抗拉强度为981MPa，延伸率17.3％，满足适航认证用内含缺陷棒材的制备要求。同时采用本发明所述方法制备了不同类型的内含缺陷试样，如图2、3所示。
对比例1
采用已公开专利申请(公开号CN110295291A)所述方法制备的内含缺陷棒材如图4所示，一方面由于在熔炼过程中熔池沸腾、流动，因此缺陷存在的位置随机或无法检出；另一方面，由于熔池沸腾、流动，导致TiN夹杂无法与基体形成良好的冶金结合(如图5所示)，从而无法满足适航认证研究的需求。
对比例2
与实施例1的区别仅在于对棒材切割面的Ra要求不同，本对比例步骤(1)中所得棒材切割面的Ra大于1μm，表1中为实施例1和对比例2制备的内含缺陷棒材界面处的力学性能，从结果可以看出，当棒材切割面表面粗糙度大于1μm时，棒材热等静压界面处的力学性能明显低于母材性能，导致制备的内含缺陷棒材无法满足适航认证的需求(适航认证棒材界面处的性能应不低于母材性能)。
表1不同状态下材料热等静压界面处的力学性能
| 材料状态 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 母材 | 982 | 17 |
| 表面粗糙度＜1μm | 985 | 18 |
| 表面粗糙度＞1μm | 932 | 5 |
实施例2
本实施例中，一种界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含TiN夹杂Ti60钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)将待植入的棒材进行切割处理，并将棒材表面进行表面粗糙度优化处理，使棒材切割面的Ra(表面粗糙度)为0.43μm；
(2)将处理后的两段棒材的切割面预定位置处进行打孔(孔的直径与棒材直径比例小于1：5)，保证缺陷完全植入其中，将夹杂缺陷置入孔中；
(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理，焊接深度为5mm，棒材直径为170mm，电子束焊接工艺参数为：加速电压150KV，聚焦电流2060mA，焊接电流80mA，焊接速度8mm/s；
(4)将封焊后的棒材置于热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压温度为1000℃，热等静压压力为180MPa，热等静压时间为1.5h；
(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织；
(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，处理制度为980℃/2h+650℃/4h，从而制备出了内含夹杂缺陷的钛合金棒材，制备的棒材界面处的抗拉强度为1013MPa，延伸率12.3％，满足适航认证用内含缺陷棒材的制备要求。
实施例3
本实施例中，一种界面元素强化扩散与热等静压技术相结合的方式制备内含TiN夹杂TA7钛合金棒材的方法，包括以下步骤：
(1)将待植入的棒材进行切割处理，并将棒材表面进行表面粗糙度优化处理，使棒材切割面的Ra(表面粗糙度)为0.8μm；
(2)在抛磨处理后的两段棒材的切割面预定位置处进行打孔(孔的直径与棒材直径比例小于1：5)，保证缺陷完全植入其中，将夹杂缺陷置入孔中；
(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理，焊接深度为5mm，棒材直径为180mm，电子束焊接工艺参数为：加速电压180KV，聚焦电流2090mA，焊接电流85mA，焊接速度10mm/s；
(4)将封焊后的棒材置于热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压温度为930℃，热等静压压力为175MPa，热等静压时间为2h；
(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织；
(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，处理制度850℃/2h，从而制备出了内含夹杂缺陷的钛合金棒材，制备的棒材界面处的抗拉强度为876MPa，延伸率10.4％，满足适航认证用内含缺陷棒材的制备要求。
采用本申请所述方法制备出的含缺陷棒材，一方面可以满足适航认证对内含缺陷棒材热等静压界面处力学性能的要求(如表1所示)，热等静压界面处的性能与母材相当；另一方面，所得棒材内部缺陷位置、形态可控，且与基体形成良好的冶金结合。因此，采用本申请所述方法可以制备出符合适航认证用的内含缺陷棒材，而其他方法均无法实现这一目的。
另外，以上所述，仅是本发明中实施例的部分代表而已，不能以此局限本发明之权利范围。对于本领域的研究人员而言，所述的夹杂可以是TiN、TiO2等硬质α夹杂，界面元素强化扩散工艺可以根据制备的钛合金材料进行相应的调整(退火、固溶或固溶时效等)，同时，内含缺陷钛合金棒材制造方法还可应用于其他牌号的钛合金材料。因此，依本发明的技术方案和技术思路做出其它各种相应的改变和变形，仍属于本发明所涵盖的保护范围之内。
此外，本文省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
Claims (7)
1.一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将待植入的棒材进行切割处理，并将棒材表面进行表面粗糙度优化处理，使棒材切割面的表面粗糙度Ra满足0.1μm＜Ra＜1μm；
(2)将处理后的两段棒材在端面预定位置处进行打孔，保证缺陷可完全植入其中，将缺陷置入孔中；
(3)采用电子束焊接将切割面进行封焊处理，焊接深度小于棒材直径的3％；
(4)将封焊后的棒材置于热等静压炉内进行热等静压处理，热等静压温度为β转变温度±30℃，热等静压压力为150MPa-200MPa，热等静压时间为1h-2h；
(5)对热等静压后的棒材进行机加工，去除封焊部位的组织；
(6)对处理后的棒材进行界面元素强化扩散处理，具体制度依据所选用的钛合金棒材特性决定，从而制备出内含夹杂缺陷的钛合金棒材。
2.按照权利要求1所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所用棒材直径大于10mm。
3.按照权利要求1所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述孔的直径与棒材直径比例小于1：5。
4.按照权利要求1所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述缺陷为TiN、TiO2硬质α夹杂。
5.按照权利要求1所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，电子束焊接工艺参数为：加速电压150KV-180KV，聚焦电流2050mA-2100mA，焊接电流80mA-100mA，焊接速度8mm/s-12mm/s。
6.按照权利要求1所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：步骤(6)中，界面元素强化扩散处理方法为固溶处理、时效处理或固溶+时效处理。
7.按照权利要求6所述内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法，其特征在于：所述固溶处理为在850℃-980℃下保温1h-2h，时效处理为在650℃-800℃下保温2h-4h，固溶+时效处理为在850℃-980℃下保温1h-2h后，再在650℃-800℃下保温2h-4h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310332747.6A CN116900624A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310332747.6A CN116900624A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116900624A true CN116900624A (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=88351740
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310332747.6A Pending CN116900624A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116900624A (zh) |
-
2023
- 2023-03-31 CN CN202310332747.6A patent/CN116900624A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102261357B1 (ko) | 합금 용해 및 정련 방법 | |
| Zhang et al. | Microstructure and hardness of fiber laser deposited Inconel 718 using filler wire | |
| US20210355564A1 (en) | Nickel-based superalloys | |
| Zhao et al. | A comprehensive study of the anisotropic tensile properties of laser additive manufactured Ni-based superalloy after heat treatment | |
| CN110666175B (zh) | 一种镍基高温合金粉末的热等静压成型方法 | |
| US11951530B2 (en) | High-strength stainless steel rotor and method for preparing the same | |
| EP3202931A1 (en) | Ni BASED SUPERHEAT-RESISTANT ALLOY | |
| De Bruycker et al. | Corrosion testing of a heat treated 316 L functional part produced by selective laser melting | |
| Zhang et al. | Influence of heat treatment on microstructures and mechanical properties of K447A cladding layers obtained by laser solid forming | |
| EP4123044B1 (en) | High-temperature alloy having low stacking fault energy, structural member and application thereof | |
| EP1826282B1 (en) | Method of producing a maraging steel | |
| CN105132844A (zh) | 一种改善Nb-Si基多元合金高温抗氧化性的方法 | |
| Gong et al. | Laser energy density dependence of performance in additive/subtractive hybrid manufacturing of 316L stainless steel | |
| KR20210119507A (ko) | 봉재 | |
| CN113477929A (zh) | 一种高强韧ods钢的高通量制备与成分工艺优选方法 | |
| CN114892043A (zh) | 激光增材制造专用高韧性高温镍基合金粉末及其制备方法 | |
| CN113681103B (zh) | 一种保持镍基高温合金强度的多次钎焊及热处理工艺 | |
| CN110295291A (zh) | 一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法 | |
| CN116900624A (zh) | 一种内含硬质α夹杂的钛合金棒材的制备方法 | |
| CN114227151A (zh) | 一种熔炼法制备内含硬质夹杂钛合金棒材的方法 | |
| Yong et al. | Hot deformation behavior and related microstructure evolution in Au− Sn eutectic multilayers | |
| Andersson et al. | Investigation of homogenization and its influence on the repair welding of cast Allvac 718Plus | |
| CN116079345A (zh) | 一种界面粗糙度控制与热等静压技术相结合制备内含夹杂钛合金棒材的方法及棒材 | |
| CN114101709A (zh) | 一种铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法 | |
| Tolvanen | Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V welds produced with different processes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |