一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形tc4-dt鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，其特征是步驟如下：TC4-DT先經(jīng)過(guò)兩相區(qū)溫度，1.1×l0-3/s進(jìn)行塑性拉伸，試樣拉斷后立即取出水冷；再將試樣變形處進(jìn)行三重?zé)崽幚?，三重?zé)崽幚戆ㄈ渭訜?、三次保溫、兩次水冷、一次空冷。本發(fā)明可以獲得三態(tài)組織，具有良好的綜合機(jī)械性能。
【專利說(shuō)明】—種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱處理方法，尤其涉及一種TC4-DT鈦合金熱處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了擴(kuò)大航空部門的用鈦量，進(jìn)一步提高飛機(jī)的穩(wěn)定性和安全性，需要對(duì)鈦合金的性能進(jìn)行深入研究。TC4-DT鈦合金是西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院于TC4鈦合金的基礎(chǔ)上研制的符合結(jié)構(gòu)完整性損傷容限設(shè)計(jì)要求的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料，作為一種中強(qiáng)損傷容限型鈦合金，在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。研究TC4-DT鈦合金熱處理工藝對(duì)顯微組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)于正確表征、評(píng)價(jià)和應(yīng)用TC4-DT鈦合金具有重要意義。
[0003]TC4-DT鈦合金成分及其比例，加工及熱處理工藝和微觀組織是影響材料性能的三大主要因素:鈦合金的組織有兩個(gè)基本相，即α和β相。合金的力學(xué)性能在很大程度上取決于這兩個(gè)相的比例、形態(tài)、尺寸和分布。鈦合金組織形態(tài)一般分為四類，即等軸、雙態(tài)、網(wǎng)籃及魏氏組織或片層組織。不同鈦合金是為了不同的應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)，因此熱處理方式也不同，應(yīng)用較為廣泛的是退火和固溶時(shí)效。退火主要是為了消除或減少殘余應(yīng)力，提高斷裂韌性、塑性、熱穩(wěn)定性及尺寸穩(wěn)定型。大部分鈦合金是在退火狀態(tài)下服役的。
[0004]近年以來(lái),有 大量學(xué)者對(duì)TC4鈦合金做出了深入的研究。包春玲、劉睿等人針對(duì)TC4鈦合金利用普通退火工藝處理，研究表明，伴隨著溫度的上升等軸組織含量逐漸減少，當(dāng)達(dá)到950°C時(shí)，含量大概占到53%，超過(guò)β相變點(diǎn)后，等軸組織急劇減少，超過(guò)1000°C成為典型的魏氏組織。
[0005]周偉、陳軍等人都通過(guò)固溶時(shí)效工藝，把TC4-DT鈦合金固溶溫度分別放在兩相區(qū)及β轉(zhuǎn)變區(qū)，時(shí)效溫度放在放在較低的兩相區(qū)，在兩相區(qū)固溶時(shí)效得到的為等軸或雙態(tài)組織，在β區(qū)固溶時(shí)效得到片層或網(wǎng)籃組織。
[0006]后面葉紅川、馬英杰、祝力偉等人在前人的研究基礎(chǔ)上針對(duì)TC4-DT鈦合金提出了三重?zé)崽幚砉に嚕麄儼训谝恢氐臏囟确旁讦孪嘧凕c(diǎn)以上，分別進(jìn)行水冷及空冷，之后在兩相區(qū)熱處理，最后一重在550°C左右保溫4~6小時(shí)，空冷，最終所得出的組織為雙片層組織，雙片層組織中間會(huì)生出此生α片層，由于初生α片層組織間有細(xì)小的次生α片層組織的作用，一方面強(qiáng)化了 β相，使其強(qiáng)度提高，另一方面細(xì)化了整體組織，在一定程度上提高了材料的塑性。這種雙片層組織在初期有效的降低了疲勞擴(kuò)展速率，但是當(dāng)達(dá)到一定范圍后就和一般片層組織的疲勞擴(kuò)展速率基本相同，且由于一級(jí)溫度在β相區(qū)，并未保留下來(lái)一定含量的等軸組織，在提高損傷容限性能的同時(shí)，往往會(huì)損失塑性，在塑性和強(qiáng)度一韌性的匹配上很難滿足。
[0007]周義剛等人利用針對(duì)鈦合金進(jìn)行高溫韌化處理，得到了約含20%等軸α、50%~60%條狀α構(gòu)成的網(wǎng)籃和β轉(zhuǎn)變基體組成的三態(tài)組織，這種結(jié)構(gòu)不僅豐富和發(fā)展了國(guó)際上鈦合金已有的4種組織類型(等軸、雙態(tài)、網(wǎng)籃和片層)，而且將等軸和網(wǎng)籃組織的性能優(yōu)勢(shì)集于一身，由此帶來(lái)的力學(xué)性能超過(guò)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的性能水平一能在不降低塑性，不喪失熱穩(wěn)定性的條件下，提高材料的高溫性能、低周疲勞性能和斷裂韌性，在改善性能的同時(shí)提高了使用溫度。
[0008]而我們?nèi)绾螌C4-DT鈦合金塑性變形后以熱處理工藝為基礎(chǔ)，充分挖掘TC4-DT合金塑性后在控制各級(jí)熱處理溫度來(lái)相應(yīng)控制組織含量從而有效的提高TC4-DT鈦合金的綜合機(jī)械性能并將其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，以TC4-DT鈦合金為材料在兩相區(qū)鍛造，進(jìn)行三重?zé)崽幚?，把第一重的熱處理放在兩相區(qū)，以控制等軸組織的含量，通過(guò)第二重及第三重?zé)崽幚慝@得綜合性能好的三態(tài)組織。
[0010]本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，其特征是步驟如下:
第一步:TC4-DT先經(jīng)過(guò)兩相區(qū)溫度，1.lX10_3/s進(jìn)行塑性拉伸，試樣拉斷后立即取出水冷；再將試樣變形處進(jìn)行三重?zé)崽幚?，三重?zé)崽幚戆ㄈ渭訜帷⑷伪?、兩次水冷、一次空冷?br> 第二步:第一重?zé)崽幚磉x為在兩相區(qū)固溶，目的是徹底改變TC4-DT拉伸后組織，使其變?yōu)棣孪嗉唉罗D(zhuǎn)變組織，保留一定含量的α相，因此第一重?zé)崽幚頊囟热≡趦上鄥^(qū)，即β相轉(zhuǎn)變溫度以下20~30°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，冷卻方式采取水冷，冷卻至室溫，最終得到的組織為α等軸組織加馬氏體；
第三步:第二重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下40~60°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，水冷，冷卻至室溫，起高溫固溶作用，最終得到的組織為α等軸組織、α片層組織加β轉(zhuǎn)變組織；第四步:第三重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下，820°C左右保溫時(shí)間為1.5小時(shí)，空冷，不改變第二重?zé)崽幚砦龀龅慕M織情況下，而是影響其亞結(jié)構(gòu)，在析出更細(xì)小二次α相，最終組織為三態(tài)組織。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:TC4_DT鈦合金經(jīng)兩相區(qū)塑性拉伸過(guò)程組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶為細(xì)小等軸晶粒，部分再結(jié)晶晶粒發(fā)生合并長(zhǎng)大，該組織不具有強(qiáng)韌性。經(jīng)9400C Xlh WQ+ 9200C X I h WQ + 820°C X 1.5h AC三重?zé)崽幚砗罂梢垣@得三態(tài)組織，具有良好的綜合機(jī)械性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0013]圖2為實(shí)驗(yàn)使用的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖3為TC4-DT鈦合金原始組織。
[0015]圖4為TC4-DT鈦合金高溫拉伸斷組織。
[0016]圖5為第一重?zé)崽幚砗蟮慕M織。
[0017]圖6為第二重?zé)崽幚砗蟮慕M織。
[0018]圖7為TC4-DT合金三重?zé)崽幚砗蠼M織。 [0019]在圖中，1.熱處理試樣準(zhǔn)備工序；2.第一重?zé)崽幚恚?.第二重?zé)崽幚恚?.第三重?zé)崽幚怼?br> 【具體實(shí)施方式】
[0020]為了便于理解，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021 ] 如圖1所示，本發(fā)明所述一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，具體步驟如下:
第一步:熱處理試樣準(zhǔn)備工序(I)。TC4-DT先經(jīng)過(guò)兩相區(qū)溫度，1.lX10_3/s進(jìn)行塑性拉伸，試樣拉斷后立即取出水冷；切割出變形區(qū)域作為熱處理試樣；
第二步:第一重?zé)崽幚?2)。第一重?zé)崽幚磉x為在兩相區(qū)固溶，目的是徹底改變TC4-DT拉伸后組織，使其變?yōu)棣孪嗉唉罗D(zhuǎn)變組織，保留一定含量的α相，因此第一重?zé)崽幚頊囟热≡趦上鄥^(qū)，即β相轉(zhuǎn)變溫度以下20~30°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，冷卻方式采取水冷，冷卻至室溫，最終得到的組織為α等軸組織加馬氏體； 第三步:第二重?zé)崽幚?3)。第二重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下40~60°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，水冷，冷卻至室溫，起高溫固溶作用，最終得到的組織為α等軸組織、α片層組織加β轉(zhuǎn)變組織；
第四步:第三重?zé)崽幚?4)。第三重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下，820°C左右保溫時(shí)間為1.5小時(shí)，空冷，不改變第二重?zé)崽幚砦龀龅慕M織情況下，而是影響其亞結(jié)構(gòu)，在析出更細(xì)小二次α相，最終組織為三態(tài)組織。
[0022]1.熱處理試樣準(zhǔn)備工序
本試驗(yàn)在塑性高溫拉伸中采用的拉伸試樣為標(biāo)準(zhǔn)的短棒試樣。其原始的毛坯料為直徑Φ40的圓柱形坯料，經(jīng)過(guò)線切割及車床加工獲得標(biāo)準(zhǔn)試樣如圖2所示，原始組織為等軸組織，如圖3所示。
[0023]塑性拉伸試驗(yàn)采用型號(hào)SANS-CMT4104的電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)。力傳感器10ΚΝ，橫梁的移動(dòng)速度在0.00r500mm/min之間。在高溫拉伸過(guò)程中，為了防止高溫時(shí)試樣與夾具出現(xiàn)燒結(jié)，實(shí)驗(yàn)前采用水石墨涂抹在夾具螺紋處。鈦合金在高溫下極易氧化從而生成氧化膜破壞其超塑性，采用型號(hào)T1-1的玻璃防護(hù)氧化劑涂抹保護(hù)，在室溫下自然干燥I小時(shí)。待爐升溫到指定溫度后放入試樣保溫30min受熱均勻后開(kāi)始進(jìn)行超塑性拉伸。開(kāi)始拉伸時(shí)需要賦予試樣一定的預(yù)緊力以避免出現(xiàn)空載現(xiàn)象。試樣拉斷后立即采用水冷以最大限度的保證其高溫顯微組織。
[0024]TC4-DT鈦合金超塑性拉伸采用恒應(yīng)變速率法進(jìn)行拉伸，經(jīng)900°C、925°C、950°C、975°C，1.1 Xl 0_3/s塑性拉伸，變形溫度為950°C，應(yīng)變速率為1.1 Xl 0_3/s，拉伸變形量為60%，取出IOs內(nèi)迅速取出水冷。
[0025]切去試樣變形處作為熱處理試樣，由于試樣過(guò)小，磨制前需要進(jìn)行鑲嵌。清洗干凈后在型號(hào)為XMA-5000F的鑲嵌機(jī)上進(jìn)行鑲嵌，并進(jìn)行拋光腐蝕，借助XJP-6A金相顯微鏡對(duì)斷后的組織進(jìn)行觀察，斷后的組織含有一定量的再結(jié)晶等軸晶粒，部分還發(fā)生合并長(zhǎng)大，如圖4所示。
[0026]試樣的磨光和拋光依次采用400號(hào)、800號(hào)、1200號(hào)、2000號(hào)水砂紙粗磨、細(xì)磨，磨光后在絨布上進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光劑采用5%的三氧化二鉻溶液。拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀察，以表面沒(méi)有明顯劃痕和黑點(diǎn)為準(zhǔn)；采用的腐蝕溶液配方:HF+HN03+H20 (體積比1:3:10).腐蝕7~12s后，用清水徹底沖洗試樣，再用無(wú)水乙醇清洗表面，最后用電吹風(fēng)對(duì)試樣表面進(jìn)行干燥。
[0027]2.第一重?zé)崽幚?br> 觀看斷后組織后將鑲嵌試樣砸開(kāi)，取出試樣放到已經(jīng)升溫好的高溫箱式電阻爐XY-1200中進(jìn)行熱處理，其誤差在±5°C。第一重?zé)崽幚頊囟葹?40°C，保溫I小時(shí)，I小時(shí)后取出擱實(shí)驗(yàn)桌面空冷(時(shí)間約10分鐘)，冷卻后再進(jìn)行鑲嵌、拋光和腐蝕(HF =HNO3 =H2O =1:3:20).腐蝕2(T30s)，觀察第一次熱處理后的組織。如圖5所示，第一重?zé)崽幚砗笏玫降慕M織為等軸α +馬氏體。
[0028]3.第二重?zé)崽幚?br> 觀看組織后再將鑲嵌試樣砸開(kāi)，取出試樣放到已經(jīng)升溫好的爐子里進(jìn)行加熱保溫?zé)?。第二重?zé)崽幚頊囟葹?20°C，保溫I小時(shí)，I小時(shí)后取出擱實(shí)驗(yàn)桌面水冷(時(shí)間約10分鐘)，冷卻后再進(jìn)行鑲嵌、拋光和腐蝕(HF =HNO3 =H2O = 1:3:10).腐蝕疒12s)，觀察第二重?zé)崽幚砗蟮慕M織，如圖6所示，第二重?zé)崽幚砗蟮玫降慕M織為α等軸組織+ α片層組織+β轉(zhuǎn)變組織。
[0029]4.第三重?zé)崽幚?br> 最后將試樣進(jìn)行最后的熱處理，取出試樣后放到已經(jīng)升溫好的爐子里進(jìn)行加熱保溫?zé)帷５谌責(zé)崽幚頊囟葹?20°C，保溫1.5小時(shí)，1.5小時(shí)后取出空冷(時(shí)間約10分鐘)，冷卻后再進(jìn)行鑲嵌、拋光和腐蝕(HF =HNO3 =H2O = 1:3:10)，腐蝕疒12s。如圖7所示，熱處理組織最終為三態(tài)組織 。
【權(quán)利要求】
1.一種經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，其特征是步驟如下: 第一步:TC4-DT先經(jīng)過(guò)兩相區(qū)溫度，1.1 X10_3/s進(jìn)行塑性拉伸，試樣拉斷后立即取出水冷；再將試樣變形處進(jìn)行三重?zé)崽幚恚責(zé)崽幚戆ㄈ渭訜?、三次保溫、兩次水冷、一次空冷? 第二步:第一重?zé)崽幚恚诩处孪噢D(zhuǎn)變溫度以下20~30°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，冷卻方式采取水冷，冷卻至室溫，得到的組織為α等軸組織加馬氏體； 第三步:第二重?zé)崽幚?，在β相轉(zhuǎn)變溫度以下40~60°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，水冷，冷卻至室溫，起高溫固溶作用，得到的組織為α等軸組織、α片層組織加β轉(zhuǎn)變組織； 第四步:第三重?zé)崽幚恚?20°C左右保溫時(shí)間為1.5小時(shí)，空冷，最終組織為三態(tài)組織。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，其特征是第一重?zé)崽幚淼谋販囟葹?40°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的經(jīng)過(guò)兩相區(qū)高溫變形TC4-DT鈦合金獲得三態(tài)組織的熱處理工藝方法，其特征是第二 重?zé)崽幚淼谋販囟葹?20°C。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK103938139SQ201410170592
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月26日
【發(fā)明者】董洪波, 張貴華, 朱深亮, 劉誠(chéng), 余新平 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)