一種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通過熱處理優(yōu)化鈦合金綜合性能技術領域，具體涉及一種具有復合型 片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法，該力學性能得到優(yōu)化的鈦合金在航空航天領域 將有更寬廣的應用范圍。
【背景技術】
[0002] 鈦合金因其具有較高的比強度及優(yōu)異的抗腐蝕性能，在航空、航天及船舶領域獲 得了廣泛的應用。鈦合金的等軸組織具有優(yōu)異的拉伸性能及高周疲勞性能，是目前應用最 廣泛的鈦合金顯微組織類型。而具有粗大原始3晶粒的魏氏組織鈦合金具有優(yōu)于等軸或 雙態(tài)組織的損傷容限性能，即較低的疲勞裂紋擴展速率（da/dN)和較高的斷裂韌性（Kic)。 航空結構設計開始將具有魏氏組織的鈦合金列為選材范圍，以提高結構的使用壽命及可靠 性。
[0003] 現(xiàn)有鈦合金的魏氏組織具有普通片層結構，其是將合金在a/ 0相完全轉(zhuǎn)變點Te 以上經(jīng)過熱處理所獲得的，具有普通片層結構的魏氏組織鈦合金拉伸強度及塑性較低，采 用提高固溶后冷卻速度的方式能夠在一定程度上提高拉伸強度并降低da/dN，但同時伴隨 拉伸塑性及斷裂韌性的損失，并且對于da/dN的降低作用是存在一定極限的。
[0004] 結構設計選材中，期望材料具有更低的da/dN、更高Kie的及更優(yōu)異的拉伸性能，因 此，亟待通過熱處理能夠?qū)Σ牧系男阅苓M行調(diào)控優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對進一步優(yōu)化鈦合金魏氏組織以提高其綜合性能的問題，本發(fā)明提供一種具有 復合型片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法，將魏氏組織通過適當?shù)臒崽幚硗瑫r降低 da/dN、提高Kie，并且材料的拉伸強度及塑性均能獲得一定程度的提升。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0007] -種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金的制備方法，該方法首先選取具有普 通片層結構的魏氏組織的鈦合金坯料，然后將其進行熱處理，熱處理溫度為該鈦合金a/ 3 相完全轉(zhuǎn)變點以下10~20°C范圍內(nèi)；鈦合金坯料保溫結束后以空冷或風冷的方式冷卻至 室溫，獲得具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金。
[0008]對鈦合金坯料進行熱處理的保溫時間t(min) =nXS_，S_為以毫米（mm)表 示的坯料的最大截面厚度或直徑，n為加熱系數(shù)，n的取值為0.4~0.9,t(min)是指以 分鐘表示的時間值。
[0009] 所述具有普通片層結構的魏氏組織是指a片層之間分布著P相，具有普通片層 結構的魏氏組織的鈦合金坯料獲取方式如下：
[0010] 將具有等軸或雙態(tài)顯微組織的鈦合金坯料在合金a/3相完全轉(zhuǎn)變點以上 20°C~KKTC范圍內(nèi)的某一溫度進行熱處理，保溫時間為t(min) =nXS_，為以毫 米（_)表示的坯料的最大截面厚度或直徑，n為加熱系數(shù)，n的取值為〇. 3~0. 8,t(min) 是指以分鐘表示的時間值；鈦合金坯料保溫結束后空氣中冷卻至室溫，獲得具有普通片層 結構的魏氏組織鈦合金坯料。
[0011] 利用上述方法制備的鈦合金，其具有復合型片層結構的魏氏組織，即在粗大的a 片層之間分布著細小的次生a片層，所述次生a片層占的體積比例為60-80%。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0013] 1、本發(fā)明通過將魏氏組織在a+0兩相區(qū)特定溫度范圍內(nèi)進行熱處理，并控制熱 處理后的冷卻速度，能夠獲得一種復合型片層結構，這種特殊結構能夠提高魏氏組織的拉 伸性能、斷裂韌性并同時降低其da/dN，從而進一步全面優(yōu)化了魏氏組織的力學性能，突破 了現(xiàn)有采用提高冷速對具有普通片層結構的魏氏組織性能優(yōu)化的局限性，提高了具有魏氏 組織鈦合金的應用潛力。
[0014] 2、本發(fā)明通過將具有普通片層結構的魏氏組織在（i/P相完全轉(zhuǎn)變點以下進行 保溫并以一定速度冷卻，冷卻過程中原始粗大a片層間的0相轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉拇紊鷄片 層。復合型片層組織中粗大片層間細小的次生a片層細化了魏氏組織顯微組織尺寸，提升 材料的拉伸強度及塑性，并且疲勞裂紋在擴展至次生a片層區(qū)域時，細小的次生a片層進 一步提高了裂紋擴展的曲折程度，將進一步降低da/dN。
[0015] 3、本發(fā)明獲得的具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金，相比于普通片層結構的 魏氏組織，具有復合型片層結構的魏氏組織的強度、塑性及韌性得到了同時優(yōu)化，其中拉伸 塑性提升較為明顯，約為30~40%。材料抗疲勞裂紋擴展能力方面，突破了僅采用提高冷 速對于da/dN降低作用的極限，在低AK范圍內(nèi)，復合型片層組織的da/dN僅是普通結構片 層的50%左右，可大幅度提高了材料的使用壽命，增大了結構件的維護周期，降低了成本。
【附圖說明】：
[0016] 圖1為典型的鈦合金等軸組織和具有普通片層結構的魏氏組織；其中：(a)等軸組 織；(b)具有普通片層結構的魏氏組織。
[0017] 圖2為等軸組織和具有普通片層結構的魏氏組織的TC4鈦合金da/dN對比（R= 0? 1) 〇
[0018] 圖3為采用爐冷的緩慢冷卻獲得的片層較厚的魏氏組織顯微形貌。
[0019] 圖4為采用爐冷（F.C.)及空冷（A.C.)獲得的兩種片層厚度的魏氏組織的da/dN 對比（R= 0. 1)。
[0020] 圖5為采用水冷（W.Q.)空冷（A.C.)獲得的兩種a片層厚度的魏氏組織的da/dN 對比（R= 0. 1)。
[0021] 圖6為鈦合金普通片層組織的顯微結構示意圖。
[0022] 圖7為通過熱處理獲得的復合型片層結構及其顯微形貌；其中：(a)復合型片層的 結構示意圖；(b)復合型片層組織的掃描電鏡顯微形貌。
[0023] 圖8為不同熱處理溫度得到的復合型片層組織與普通片層組織的da/dN對比（R =0?1)〇
【具體實施方式】：
[0024] 以下結合附圖及實施例詳述本發(fā)明。以下實施例及對比例中原始鈦合金坯料為圓 柱狀，最大截面直徑都為120mm。
[0025] 對比例1
[0026] 本對比例是對名義成分為Ti-6A1_4V的TC4鈦合金進行熱處理，該合金相變點為 975±5°C。熱處理制度為920°C保溫1小時后空冷（A.C.)，獲得具有等軸組織的鈦合金，如 圖1(a)所示。熱處理制度為1020°C保溫1小時后空冷，獲得具有普通片層結構的魏氏組織 鈦合金，如圖1(b)所示。表1為該鈦合金等軸組織及魏氏組織的力學性能比較，圖2為二 者的da/dN對比?？梢钥闯?，與等軸組織相比，具有普通片層結構的魏氏組織的拉伸強度及 塑性略低，但具有優(yōu)異的損傷容限性能，即較低da/dN和較高的Kk。
[0027] 表lTi-6Al_4V合金等軸組織及魏氏組織拉伸性能及斷裂韌性比較
[0028]
[0029] 對比例2
[0030] 本對比例是對名義成分為Ti-6A1-4V的TC4鈦合金通過提高固溶處理后的冷卻速 度對材料性能進行調(diào)控優(yōu)化。TC4鈦合金的熱處理制度為1020°C保溫1小時后爐冷。圖3 為采用爐冷的緩慢冷卻獲得的片層較厚的魏氏組織顯微形貌，該組織中a片層厚度約為 5~IOym，圖1(b)中采用空冷獲得的魏氏組織形貌，該組織中a片層厚度約為2pm?？?見，將鈦合金在ci/P相完全轉(zhuǎn)變點以上進行固溶保溫處理，而后以一定的速度進行冷卻， 冷卻速度不同時獲得的片層厚度也具有差異。
[0031] 圖4為采用爐冷（F.C.)及空冷（A.C.)獲得的兩種不同厚度a片層的魏氏組織 的da/dN對比，冷速較快時，da/dN較低。然而進一步采用更高冷速的水冷（W.Q.)來獲得 片層更細小的針狀馬氏體時，材料的da/dN卻比空冷時明顯提高，如圖5所示，針狀馬氏體 具有較高da/dN與其脆性變形特征有關。
[0032] 疲勞裂紋在魏氏組織中擴展時，裂紋傾向于沿垂直或平行于a片層的方向擴展， 形成具有臺階狀的裂紋擴展路徑，裂紋擴展過程中形成的臺階數(shù)量越多，裂紋路徑越曲折， 裂紋閉合程度越高，從而材料的da/dN越低。降低a片層厚度則可以增加裂紋擴展過程中 形成的臺階數(shù)量，并降低da/dN。通過提高熱處理冷卻速度的方法能夠在一定范圍內(nèi)降低 da/dN,但當冷卻速度達到或高于水冷時，將形成脆性的馬氏體組織，此時材料的da/dN反 而明顯提高，且KkW顯降低。因此若能夠在降低a片層厚度的同時避免形成脆性的馬氏 體，則