使tc21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，包括：將TC21拉伸試樣先在900℃下和設(shè)定的應(yīng)變速率下進(jìn)行超塑性拉伸直至拉斷；拉伸試樣拉斷后立即水冷；割取出變形均勻處的拉斷的試樣為熱處理試樣；對熱處理試樣進(jìn)行第一重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以上10~20℃，放入熱處理試樣保溫1小時(shí)，隨后進(jìn)行第一次空冷；然后，對熱處理試樣進(jìn)行第二重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下20~30℃，放入熱處理試樣保溫1小時(shí)，隨后進(jìn)行第二次空冷；然后，對熱處理試樣進(jìn)行第三重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下360~370℃，放入試樣保溫4小時(shí)，隨后進(jìn)行第三次空冷，得到網(wǎng)籃組織。
【專利說明】使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝。【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，先進(jìn)的飛機(jī)對航空構(gòu)件的使用提出了更苛刻的要求，既要滿足新型飛機(jī)的大尺寸、高性能、高減重等要求，還要滿足新型飛機(jī)長壽命和低成本的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求，“損傷容限設(shè)計(jì)”理念已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的主流理念。傷容限設(shè)計(jì)是以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，對含有裂紋的零構(gòu)件，通過緩慢裂紋擴(kuò)展或破損安全的途徑，保證其在服役期內(nèi)能夠安全使用的一種設(shè)計(jì)方法。TC21鈦合金是一種高強(qiáng)度損傷容限型鈦合金，靠其強(qiáng)韌的組織而具有優(yōu)良的損傷容限性。
[0003]TC21在兩相區(qū)(88(T920°C)具有優(yōu)異的超塑性，最高延伸率可達(dá)1309%。利用其超塑性可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)高性能復(fù)雜構(gòu)件的整體精確成形，但TC21合金經(jīng)過兩相區(qū)超塑性變形后，由于組織發(fā)生了動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶α甚至?xí)l(fā)生聚集合并長大成不規(guī)則的大片狀，微觀組織明顯粗化。在較快初始應(yīng)變速率條件下拉伸時(shí)，在溫度和較大變形程度的作用下，試樣變形區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成了很多細(xì)小、等軸的晶粒，而在較低應(yīng)變速率下變形區(qū)會發(fā)生再結(jié)晶聚集長大。TC21動態(tài)再結(jié)晶形成的等軸晶粒以及粗大的組織都將不利于TC21鈦合金的損傷容限性能。
[0004]TC21鈦合金在準(zhǔn)β區(qū)(960°C)超塑變形和(α + β )兩相區(qū)雙重退火(900°C/lh，AC + 590°C/4h，AC)可以得到網(wǎng)籃組織，但由于準(zhǔn)β區(qū)溫度較高，超塑性變形過程晶粒容易長大，不利于超塑性，而 TC21鈦合金在兩相區(qū)(890、910°C )超塑變形后經(jīng)雙重退火只得到等軸組織，得不到網(wǎng)籃組織。這主要是因?yàn)門C21在兩相區(qū)變形，變形過程由α轉(zhuǎn)變成的β轉(zhuǎn)變組織較少，因此經(jīng)第一重?zé)崽幚?00°C/lh空冷后由β轉(zhuǎn)變組織中析出的針狀α相很少或析出的α相不成呈針狀，形成不了相互交織的針狀α相，經(jīng)第一重?zé)崽幚砗蠼M織為等軸或雙態(tài)組織，而非網(wǎng)籃組織；第二重?zé)崽幚?90°C /4h，空冷對組織類型沒有影響，只起到穩(wěn)定組織消除應(yīng)力的作用。
[0005]所以采用兩相區(qū)雙重?zé)崽幚碇贫炔⒉荒苁筎C21兩相區(qū)超塑性變形后的組織獲得網(wǎng)籃組織。
[0006]如何將TC21兩相區(qū)超塑性變形后的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織成了充分挖掘TC21合金超塑性并將其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，以解決TC21兩相區(qū)超塑性變形后難以獲得網(wǎng)籃組織的問題。
[0008]為此，本發(fā)明提出一種使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，包括:將TC21拉伸試樣先在900°C下和設(shè)定的應(yīng)變速率下進(jìn)行超塑性拉伸直至拉斷；
拉伸試樣拉斷后立即水冷；
割取出變形均勻處的拉斷的試樣為熱處理試樣；
對熱處理試樣進(jìn)行第一重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以上1(T20°C，放入熱處理試樣保溫I小時(shí)，隨后進(jìn)行第一次空冷；
然后，對熱處理試樣進(jìn)行第二重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下2(T30°C，放入熱處理試樣保溫I小時(shí)，隨后進(jìn)行第二次空冷；
然后，對熱處理試樣進(jìn)行第三重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下36(T370°C，放入試樣保溫4小時(shí)，隨后進(jìn)行第三次空冷，得到網(wǎng)籃組織。
[0009]進(jìn)一步的，所述熱處理爐為高溫箱式電阻爐。
[0010]進(jìn)一步的，所述第一重?zé)崽幚碇校瑢崽幚頎t升溫到970°C。
[0011]進(jìn)一步的，所述第二重?zé)崽幚碇校瑢崽幚頎t升溫到930°C。
[0012]進(jìn)一步的，所述第三重?zé)崽幚碇?，將熱處理爐升溫到590°C。
[0013]進(jìn)一步的，第一次空冷或第二次空冷或第三次空冷的時(shí)間為10分鐘。
[0014]進(jìn)一步的，所述拉伸試樣為棒狀試樣，原始組織為等軸組織。
[0015]進(jìn)一步的，采用電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)對TC21拉伸試樣進(jìn)行超塑性拉伸，超塑性拉伸前，采用水石墨涂抹在電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)的夾具螺紋處，采用玻璃防護(hù)氧化劑對拉伸試樣涂抹保護(hù)，在室溫下自然干燥I小時(shí)，待熱處理爐升溫到指定溫度后放入試樣保溫30min受熱均勻后開始進(jìn)行超塑性拉伸。
[0016]進(jìn)一步的，TC21拉伸試樣的超塑性拉伸采用恒應(yīng)變速率法進(jìn)行拉伸，應(yīng)變速率為
3.3 Xl O-4/s。
[0017]本發(fā)明使TC21合金在最佳超塑性的兩相區(qū)超變形后獲得網(wǎng)籃組織，具有優(yōu)良的損傷容限性，因而能夠滿足新型飛機(jī)的大尺寸、高性能、高減重等材料要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例采用的拉伸試樣的原始顯微組織的晶相組織結(jié)構(gòu)；
圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的拉伸試樣拉斷后的晶相組織結(jié)構(gòu)；
圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱處理試樣第一重?zé)崽幚淼木嘟M織結(jié)構(gòu)；
圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱處理試樣第二重?zé)崽幚淼木嘟M織結(jié)構(gòu)；
圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱處理試樣第三重?zé)崽幚淼木嘟M織結(jié)構(gòu)；
圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝的流程圖，其 中，Te是指β相轉(zhuǎn)變溫度。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0020]本發(fā)明中，TC21拉伸試樣先經(jīng)過900°C，3.3 Xl 0_4/s進(jìn)行超塑性拉伸，拉伸試樣拉斷后立即取出水冷。
[0021]再將拉斷后的拉伸試樣變形均勻處進(jìn)行三重?zé)崽幚?。三重?zé)崽幚頌槿渭訜?，三次保溫和三次空冷組成。第一重?zé)崽幚磉x為在β相區(qū)固溶，目的是徹底改變TC21拉伸后組織，使其變?yōu)棣孪嗉唉罗D(zhuǎn)變組織，因此第一重?zé)崽幚頊囟热≡跍?zhǔn)β相區(qū)，即β相轉(zhuǎn)變溫度以上l(T20°C(97(rC)，保溫時(shí)間為I小時(shí)，冷卻方式采取空冷，這與一般固溶處理采用水冷不同，如果β相區(qū)固溶后采用水冷將可能得到馬氏體組織，該組織在隨后的兩相去熱處理時(shí)效中會生成大片層狀α相，而不會析出細(xì)小針狀α相；第二重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下2(T30°C(930°C)，保溫時(shí)間為I小時(shí)，空冷，起高溫時(shí)效作用，使β晶粒內(nèi)析出細(xì)小針狀α相；第三重加熱溫度在β相轉(zhuǎn)變溫度以下36(T370°C (590°C )，保溫時(shí)間為4小時(shí)，空冷，不改變第二重?zé)崽幚砦龀龅尼槧瞀料嘈螤?而是影響其亞結(jié)構(gòu),在針狀α相之間析出更細(xì)小二次α相，最終組織為網(wǎng)籃組織。整體流程圖見圖6。
[0022]本發(fā)明的具體過程如下:
一、超塑性高溫拉伸實(shí)驗(yàn)
本發(fā)明實(shí)施例在超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)過線切割及車床加工獲得標(biāo)準(zhǔn)試樣，原始組織為如圖1所示的等軸組織。
[0023]超塑性拉伸試驗(yàn)采用型號SANS-CMT4104的電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)。其中，力傳感器10ΚΝ，橫梁的移動速度在0.00r500mm/min之間。在高溫拉伸過程中，為了防止高溫時(shí)試樣與夾具出現(xiàn)燒結(jié)，超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)前可以采用水石墨涂抹在實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)的夾具螺紋處。
[0024]為了避免TC21拉伸試樣在高溫下極易氧化從而生成氧化膜破壞其超塑性，作為較佳選擇，本發(fā)明實(shí)施例采用型號T1-1的玻璃防護(hù)氧化劑對TC21拉伸試樣涂抹保護(hù)，在室溫下自然干燥I小時(shí) 。待SANS-CMT4104的電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)中的爐升溫到指定溫度后放入試樣保溫30min受熱均勻后開始進(jìn)行超塑性拉伸。開始拉伸時(shí)需要賦予拉伸試樣一定的預(yù)緊力以避免出現(xiàn)空載現(xiàn)象。拉伸試樣拉斷后立即采用水冷以最大限度的保證其高溫下的顯微組織。
[0025]TC21拉伸試樣超塑性拉伸采用恒應(yīng)變速率法進(jìn)行拉伸，變形溫度為900°C，應(yīng)變速率為3.3 Xl O-4/s，拉斷后迅速取出水冷。
[0026]二、試樣熱處理過程
首先切去斷后的拉伸試樣變形較均勻處作為熱處理試樣，通常取斷后的拉伸試樣的中間部位。
[0027]由于熱處理試樣過小，磨制前需要進(jìn)行鑲嵌。清洗干凈后在型號為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金相顯微鏡對斷后的組織進(jìn)行觀察，斷后的組織為再結(jié)晶等軸晶粒，部分還發(fā)生合并長大，如圖2所示。
[0028]其中，熱處理試樣的磨光和拋光依次采用400號、800號、1200號、2000號水砂紙粗
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).腐蝕疒12s后，用清水徹底沖洗試樣，再用無水乙醇清洗表面，最后用電吹風(fēng)對試樣表面進(jìn)行干燥。
[0029]觀看斷后組織后將鑲嵌試樣砸開，取出熱處理試樣放到已經(jīng)升溫好的熱處理爐(例如為，高溫箱式電阻爐XY-1200)中進(jìn)行熱處理，其誤差在±2°C。第一重?zé)崽幚頊囟葹?70°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 = I:3:20).腐蝕2(T30s)，觀察第一次熱處理后的組織，第一次熱處理后組織為單相β晶粒，如圖3所示。
[0030]觀看組織后再將鑲嵌試樣砸開，取出熱處理試樣放到已經(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?30°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 = I:3:10).腐蝕疒12s)，觀察第二重?zé)崽幚砗蟮慕M織，第二重?zé)崽幚砗蠼M織如圖4所示。
[0031]最后將試樣進(jìn)行最后的熱處理，即第三次熱處理。取出熱處理試樣后放到已經(jīng)升溫好的爐子里進(jìn)行加熱保溫?zé)?。第三重?zé)崽幚頊囟葹?90°C，保溫4小時(shí)，4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 = I:3:10).腐蝕7~12s)，觀察第三重?zé)崽幚砗蟮慕M織，第三重?zé)崽幚砗蠼M織為網(wǎng)籃組織，如圖5所示。
[0032]TC21鈦合金經(jīng)900°C ,3.3 Xl 0_4/s超塑性拉伸過程組織發(fā)生動態(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)生合并長大，該組織不具有強(qiáng)韌性。經(jīng)970°C XlhAC+ 930 °C X I h AC + 590 V X4 h AC三重?zé)崽幚砗罂梢垣@得網(wǎng)籃組織，具有強(qiáng)韌性。
[0033] 以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實(shí)施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。為本發(fā)明的各組成部分在不沖突的條件下可以相互組合，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝包括: 將TC21拉伸試樣先在900°C下和設(shè)定的應(yīng)變速率下進(jìn)行超塑性拉伸直至拉斷； 拉伸試樣拉斷后立即水冷； 割取出變形均勻處的拉斷的試樣為熱處理試樣； 對熱處理試樣進(jìn)行第一重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以上1(T20°C，放入熱處理試樣保溫I小時(shí)，隨后進(jìn)行第一次空冷至室溫(25~30°C)； 然后，對熱處理試樣進(jìn)行第二重?zé)崽幚恚瑢崽幚頎t升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下2(T30°C，放入熱處理試樣保溫I小時(shí)，隨后進(jìn)行第二次空冷至室溫(25~30°C); 然后，對熱處理試樣進(jìn)行第三重?zé)崽幚?，將熱處理爐升溫到β相轉(zhuǎn)變溫度以下36(T370°C，放入試樣保溫4小時(shí)，隨后進(jìn)行第三次空冷至室溫(25~30°C )，得到網(wǎng)籃組織。
2.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述熱處理爐為高溫箱式電阻爐。
3.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述第一重?zé)崽幚碇?，將熱處理爐升溫到970°C。
4.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述第二重?zé)崽幚碇校瑢崽幚頎t升溫到930°C。
5.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述第三重?zé)崽幚碇?，將熱處理爐升溫到590°C。
6.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，第一次空冷或第二次空冷或第三次空冷的時(shí)間為10分鐘。
7.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，所述拉伸試樣為棒狀試樣，原始組織為等軸組織。
8.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，采用電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)對TC21拉伸試樣進(jìn)行超塑性拉伸，超塑性拉伸前，采用水石墨涂抹在電子萬能實(shí)驗(yàn)拉伸機(jī)的夾具螺紋處，采用玻璃防護(hù)氧化劑對拉伸試樣涂抹保護(hù)，在室溫下自然干燥I小時(shí)，待熱處理爐升溫到指定溫度后放入試樣保溫30min受熱均勻后開始進(jìn)行超塑性拉伸。
9.如權(quán)利要求1所述的使TC21合金兩相區(qū)超塑性變形后獲得網(wǎng)籃組織的熱處理工藝，其特征在于，TC21拉伸試樣的超塑性拉伸采用恒應(yīng)變速率法進(jìn)行拉伸，應(yīng)變速率為3.3 Xl(TVs。
【文檔編號】C22F1/18GK103993248SQ201410185724
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】董洪波, 朱深亮 申請人:南昌航空大學(xué)