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CN103924180A - 一种tc18钛合金的热处理方法 - Google Patents

一种tc18钛合金的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,属材料技术领域。本发明方法:首先将TC18钛合金在Tβ-60℃~Tβ-100℃(Tβ为合金β相转变温度)保温2~8h后,采取空冷或水冷冷却至室温;然后将合金在540~600℃时效4~12h,空冷冷却至室温。本发明通过对保温温度、时间和冷却方式的选取,能够有效调控合金的微观组织,实现等轴α相(含量大于10vol%、尺寸大于2μm)、片状α相(厚度大于0.5μm)、大量细针α和β相基体搭配的显微组织,使TC18钛合金具有较高的强度以及良好的塑性和韧性,解决了双重退火工艺存在合金强度较低以及固溶-时效工艺难以使合金塑性和韧性满足使用要求的问题,适合工业化应用。

Description

一种TC18钛合金的热处理方法
技术领域
本发明公开了一种TC18钛合金热处理方法,属金属材料热处理技术领域。
背景技术
TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe,属于近β型钛合金,具有塑性变形性好、淬透性深、强度高(σb≥1100MPa)、断裂韧性高(K1C≥50MPa·m1/2)等优点,适合制造高负载承力的航空结构件,在航空航天领域受到广泛关注。近年来,TC18钛合金因其优越的性能,在船舶、海水淡化、汽车工业、体育等领域的应用逐渐增多。
热处理对TC18钛合金显微组织和力学性能的调控具有重要作用。TC18钛合金的显微组织主要由α相和β相组成,其中α相作为主要强化相,其形貌、含量和尺寸对合金的力学性能有着极为重要的影响。例如等轴α相含量越高、尺寸越大,合金塑性越好;较高含量的细针α相有利于大幅提高合金强度;粗片α相含量和厚度的增加有利于提高合金断裂韧性等。因此,制定合适的热处理工艺,调控不同形貌α相的含量和尺寸等微观特征,使产品获得满足使用要求的力学性能,在TC18合金的生产过程中具有重要作用。
目前TC18钛合金常用的热处理工艺有双重退火和固溶-时效两种。双重退火由俄罗斯OCT1规范推荐,其一般过程为:820~850℃保温1~3h→随炉冷却至740~760℃保温1~3h→空冷→500~650℃保温2~6h→空冷。双重退火后的TC18合金显微组织主要由等轴α、粗片α和β基体组成,合金具有优良的塑性(δ≥14%)和断裂韧性(K1C≥70MPa·m1/2),在工业生产上得到了广泛的应用。然而,双重退火过程包括三次保温阶段,尤其第一次保温后采用了炉冷,整个工艺过程较长,且在工艺控制的准确性、一致性方面较难保证;特别是双重退火后合金显微组织中的细针α相含量较低,导致抗拉强度和屈服强度普遍低于1200MPa,难以满足更高强度的使用要求。因此,近年来固溶-时效工艺越来越受到关注。
固溶-时效一般过程为:Tβ-150℃附近保温1~3h→淬火→400~600℃保温2~6h→空冷。与双重退火相比,固溶-时效仅需两次保温,且第一次保温后采用水淬冷却,故其工艺过程较短;同时,固溶-时效后的TC18合金显微组织中含有大量弥散分布的细针α相,使得合金的抗拉强度与屈服强度大幅提高(≥1250MPa),能够满足更高强度的使用要求。然而,在固溶-时效后的合金显微组织中,等轴α相与粗片α相的含量较低,导致合金的塑性与断裂韧性较差,往往难以满足伸长率≥6%、断裂韧性≥55MPa·m1/2的俄罗斯OCT190173-75标准要求;另外,现有的固溶-时效工艺大多仅考虑了热处理温度对合金组织和性能的影响,而对保温时间、冷却方式等参数考虑较少。因此,在固溶-时效工艺的基础上,综合考虑温度、时间和冷却方式等多个参数的影响,开发一种既保证TC18钛合金高强度、又使合金塑性和韧性满足使用要求的热处理工艺是该合金的新方向之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TC18钛合金热处理工艺,本发明处理后的TC18钛合金,不仅具有较高的强度,而且克服了传统双重退火工艺存在合金强度较低以及固溶-时效工艺难以使合金塑性和韧性满足使用要求的问题。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,包括下述步骤:
第一步:一级热处理
将锻态TC18钛合金加热至β相转变温度Tβ以下60℃~100℃保温2~8h后,以2~20℃/s的冷却速度冷却至室温;所述锻态TC18钛合金显微组织由β相为基体和等轴α相组成;
第二步:二级热处理
将第一步冷却后得到的合金加热至540℃~600℃,保温4~12h后,空冷至室温。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,所述锻态TC18钛合金的名义化学成分为:Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,所述锻态TC18钛合金显微组织中等轴α相的体积分数为28~35%、平均尺寸为3~5μm。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,一级热处理保温后,合金采取强制空冷或水冷冷却至室温。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,第一步,一级热处理保温后以5~18℃/s的冷却速度冷却至室温;更优选以8~15℃/s的冷却速度冷却至室温;最优为10~12℃/s的冷却速度冷却至室温。
本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺,处理后的TC18钛合金显微组织中,等轴α相的体积分数为10~18%、平均尺寸为2-5μm,片状α相厚度为0.5-1μm。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)选用初始组织为等轴α相(尺寸3~5μm、含量约30vol%)+β相基体的TC18合金,组织中的等轴α相在热变形过程中形成,且能提高合金的塑性。因此,选用上述组织能够为后续热处理调控等轴α相的含量和尺寸提供了基础,从而达到调控合金塑性的目的。
(2)与传统固溶-时效工艺相比,提高一级热处理温度、延长保温时间,使显微组织中等轴α相的含量大于10vol%、尺寸大于2μm,片状α相厚度大于0.5μm,能够保证合金的塑性和韧性满足OCT190173-75标准要求;同时,升高一级热处理温度能够保留更多的亚稳β相,进而在后续时效过程中促使析出更多细针α相,提高合金强度。
(3)一级热处理之后的冷却方式,采用了水冷和强制空冷。其中:水冷会抑制亚稳β相在冷却过程中的分解,使得在第二级热处理过程中由亚稳β相分解、析出的细针α相大幅增加,即弥散强化效应增强,使合金具有较高的强度;与水冷相比,强制空冷虽然冷却速度相对较慢,但能够使亚稳β相在冷却过程中发生部分分解,引起片状α相长大、变厚,进而在仅略微降低合金强度的条件下,提高合金的断裂韧性。
(4)与传统工艺的时效温度相比,本发明的时效温度选用相对较高的540~600℃范围,在此范围内,不仅能保证细针α相在β晶粒内的大量析出,使合金具有较高的强度,而且能促使少量α相依附于等轴α相和片状α相析出,使得等轴α相和片状α相的含量增加、尺寸长大,在一定程度上提升了合金的塑性和韧性。
综上所述,与传统固溶时效工艺相比,本发明通过综合考虑热处理温度、时间、冷却方式等参数变化对合金组织与性能的影响,能够有效调控合金微观组织中的等轴α相、粗片α相和细针α相含量和尺寸,保证等轴α相含量大于10vol%、尺寸大于2μm,片状α相厚度大于0.5μm,同时又保有较高含量的细针α相,从而使TC18合金具备较高的强度,并且实现强度、塑性和韧性之间的良好匹配;且工艺简单稳定、操作方便、处理周期短、能耗低,适于工业化生产。
附图说明
附图1为实施例1制备的TC18钛合金的显微形貌。
附图2为实施例2制备的TC18钛合金的显微形貌。
附图3为实施例3制备的TC18钛合金的显微组织。
附图4为对比例制备的TC18钛合金的显微形貌。
图中等轴α相、片状α相和细针α相的含量与尺寸均通过像素统计法进行统计确定。
从附图1可以看出:黑色相为α相,其中等轴α相的体积分数为12%、尺寸为3~4μm,片状α相厚度约1μm,细针α相长度为2~3μm;白色相为β相。
从附图2可以看出:黑色相为α,其中等轴α相的体积分数为16%、尺寸为2~3μm,片状α相厚度约0.5μm,细针α相长度为2~4μm;白色相为β相。
从附图3可以看出:黑色相为α,其中等轴α相的体积分数为15%、尺寸为4~5μm,片状α相厚度约1.5μm,细针α相长度为1~2μm;白色相为β相。
从附图4可以看出:黑色相为α,其中等轴α相的体积分数为9%、尺寸为1~3μm,细针α相长度为1~3μm;白色相为β相。
具体实施方式:
下面结合实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用Φ120mm×150mm的TC18钛合金热锻态棒材,其显微组织由β相和等轴α相组成;等轴α相的体积分数为31%、平均尺寸为3~5μm。
测定TC18钛合金热锻态棒材的β转变温度为865±5℃。第一步将合金棒材加热至760℃保温6h后,控制冷却速度为2~3℃/s,强制空冷至室温;第二步将合金棒材加热至540℃保温8h,然后空冷至室温。
本实施例处理后的TC18钛合金棒材室温力学性能参数见表1。
表1实例1中的TC18棒材室温力学性能
实施例2
采用Φ180mm×200mm的TC18钛合金热锻态棒材,其显微组织由β相和等轴α相组成;等轴α相的体积分数为29%、平均尺寸为4-5μm。
测定TC18钛合金热锻态棒材的β转变温度为865±5℃。第一步将合金棒材加热至790℃保温2h后,控制冷却速度为15~20℃/s,水冷至室温;第二步将合金棒材加热至570℃保温6h,然后空冷至室温。
本实施例处理后的TC18钛合金棒材室温力学性能参数见表2。
表2实施例2中的TC18棒材室温力学性能
实施例3
采用Φ180mm×200mm的TC18钛合金热锻态棒材,其显微组织由β相和等轴α相组成;等轴α相的体积分数为33%、平均尺寸为2-4μm。
测定TC18钛合金热锻态棒材的β转变温度为865±5℃。第一步将合金棒材加热至770℃保温4h后,控制冷却速度为10~15℃/s,水冷至室温;第二步将合金棒材加热至600℃保温4h,然后空冷至室温。
本实施例处理后的TC18钛合金棒材室温力学性能参数见表3。
表3实施例3中的TC18棒材室温力学性能
对比例
采用Φ140mm×180mm的TC18钛合金锻棒,测定的β转变温度为865±5℃。第一步将合金加热至750℃保温2h后,水冷至室温;第二步将合金加热至530℃保温6h后,空冷至室温。
对比例处理后的TC18钛合金棒材室温力学性能参数见表3。
表4对比例中的TC18棒材室温力学性能
对比例为采用传统固溶-时效工艺制备TC18合金的具体实施方案。
将本发明实施例与对比例对比,从显微组织可以看出:
实施例中细针α相和片状α相的含量、尺寸明显高于对比例。
从力学性能可以发现:
实施例中TC18合金的强度和韧性均好于比较例,塑性稍差,但仍满足使用要求(>6%)。
以上实例证明本发明的TC18钛合金热处理工艺明显优于传统固溶-时效工艺。

Claims (8)

1.一种TC18钛合金热处理工艺,包括下述步骤:
第一步:一级热处理
将锻态TC18钛合金加热至β相转变温度Tβ以下60℃~100℃保温2~8h后,以2~20℃/s的冷却速度冷却至室温;所述锻态TC18钛合金显微组织由β相为基体和等轴α相组成;
第二步:二级热处理
将第一步冷却后得到的合金加热至540℃~600℃,保温4~12h后,空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:所述锻态TC18钛合金的名义化学成分为:Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。
3.根据权利要求2所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:所述锻态TC18钛合金显微组织中等轴α相的体积分数为28~35%、平均尺寸为3~5μm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:一级热处理保温后,合金采取强制空冷或水冷冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:第一步,一级热处理保温后以5~18℃/s的冷却速度冷却至室温。
6.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:第一步,一级热处理保温后以8~15℃/s的冷却速度冷却至室温。
7.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:第一步,一级热处理保温后以10~12℃/s的冷却速度冷却至室温。
8.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺,其特征在于:处理后的TC18钛合金显微组织中,等轴α相的体积分数为10~18%、平均尺寸为2-5μm,片状α相厚度为0.5-1μm。
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