一種tc18鈦合金的熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明方法：首先將TC18鈦合金在Tβ-60℃～Tβ-100℃（Tβ為合金β相轉(zhuǎn)變溫度）保溫2～8h后，采取空冷或水冷冷卻至室溫；然后將合金在540～600℃時效4～12h，空冷冷卻至室溫。本發(fā)明通過對保溫溫度、時間和冷卻方式的選取，能夠有效調(diào)控合金的微觀組織，實現(xiàn)等軸α相(含量大于10vol%、尺寸大于2μm)、片狀α相(厚度大于0.5μm)、大量細(xì)針α和β相基體搭配的顯微組織，使TC18鈦合金具有較高的強度以及良好的塑性和韌性，解決了雙重退火工藝存在合金強度較低以及固溶-時效工藝難以使合金塑性和韌性滿足使用要求的問題，適合工業(yè)化應(yīng)用。
【專利說明】一種TC18鈦合金的熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種TC18鈦合金熱處理方法,屬金屬材料熱處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]TC18鈦合金名義成分為T1-5Al-5V-5Mo-lCr_lFe，屬于近β型鈦合金，具有塑性變形性好、淬透性深、強度高(σ b≥llOOMPa)、斷裂韌性高(Kie≥50MPa.πι1/2)等優(yōu)點，適合制造高負(fù)載承力的航空結(jié)構(gòu)件，在航空航天領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，TC18鈦合金因其優(yōu)越的性能，在船舶、海水淡化、汽車工業(yè)、體育等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。
[0003]熱處理對TC18鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的調(diào)控具有重要作用。TC18鈦合金的顯微組織主要由α相和β相組成，其中α相作為主要強化相，其形貌、含量和尺寸對合金的力學(xué)性能有著極為重要的影響。例如等軸α相含量越高、尺寸越大，合金塑性越好；較高含量的細(xì)針α相有利于大幅提高合金強度；粗片α相含量和厚度的增加有利于提高合金斷裂韌性等。因此，制定合適的熱處理工藝，調(diào)控不同形貌α相的含量和尺寸等微觀特征，使產(chǎn)品獲得滿足使用要求的力學(xué)性能，在TC18合金的生產(chǎn)過程中具有重要作用。
[0004]目前TC18鈦合金常用的熱處理工藝有雙重退火和固溶-時效兩種。雙重退火由俄羅斯OCTl規(guī)范推薦，其一般過程為:820~850°C保溫I~3h —隨爐冷卻至740~760°C保溫I~3h —空冷一500~650°C保溫2~6h —空冷。雙重退火后的TC18合金顯微組織主要由等軸α、粗片α和β基體組成，合金具有優(yōu)良的塑性(δ ^ 14%)和斷裂韌性(Kic≥70MPa.m1/2)，在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用。然而，雙重退火過程包括三次保溫階段，尤其第一次保溫后采用了爐冷，整個工藝過程較長，且在工藝控制的準(zhǔn)確性、一致性方面較難保證；特別是雙重退火后合金顯微組織中的細(xì)針α相含量較低，導(dǎo)致抗拉強度和屈服強度普遍低于1200MPa，難以滿足更高強度的使用要求。因此，近年來固溶-時效工藝越來越受到關(guān)注。
[0005]固溶-時效一般過程為:Te-150°C附近保溫I~3h —淬火一400~600°C保溫2~6h —空冷。與雙重退火相比，固溶-時效僅需兩次保溫，且第一次保溫后采用水淬冷卻，故其工藝過程較短；同時，固溶-時效后的TC18合金顯微組織中含有大量彌散分布的細(xì)針α相，使得合金的抗拉強度與屈服強度大幅提高O 1250MPa)，能夠滿足更高強度的使用要求。然而，在固溶-時效后的合金顯微組織中，等軸α相與粗片α相的含量較低，導(dǎo)致合金的塑性與斷裂韌性較差，往往難以滿足伸長率> 6%、斷裂韌性> 55MPa.m1/2的俄羅斯0CT190173-75標(biāo)準(zhǔn)要求；另外，現(xiàn)有的固溶_時效工藝大多僅考慮了熱處理溫度對合金組織和性能的影響，而對保溫時間、冷卻方式等參數(shù)考慮較少。因此，在固溶-時效工藝的基礎(chǔ)上，綜合考慮溫度、時間和冷卻方式等多個參數(shù)的影響，開發(fā)一種既保證TC18鈦合金高強度、又使合金塑性和 韌性滿足使用要求的熱處理工藝是該合金的新方向之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種TC18鈦合金熱處理工藝，本發(fā)明處理后的TC18鈦合金，不僅具有較高的強度，而且克服了傳統(tǒng)雙重退火工藝存在合金強度較低以及固溶-時效工藝難以使合金塑性和韌性滿足使用要求的問題。
[0007]本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，包括下述步驟:
[0008]第一步:一級熱處理
[0009]將鍛態(tài)TC18鈦合金加熱至β相轉(zhuǎn)變溫度Te以下60°C~100°C保溫2~8h后，以2~20°C /s的冷卻速度冷卻至室溫；所述鍛態(tài)TC18鈦合金顯微組織由β相為基體和等軸α相組成；
[0010]第二步:二級熱處理
[0011]將第一步冷卻后得到的合金加熱至540°C~600°C，保溫4~12h后，空冷至室溫。
[0012]本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，所述鍛態(tài)TC18鈦合金的名義化學(xué)成分為:T1-5Al-5Mo-5V-lCr-lFe。
[0013]本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，所述鍛態(tài)TC18鈦合金顯微組織中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為28~35%、平均尺寸為3~5 μ m。
[0014]本發(fā)明 涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，一級熱處理保溫后，合金采取強制空冷或水冷冷卻至室溫。
[0015]本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，第一步，一級熱處理保溫后以5~18°C /s的冷卻速度冷卻至室溫；更優(yōu)選以8~15°C /s的冷卻速度冷卻至室溫；最優(yōu)為10~12°C /s的冷卻速度冷卻至室溫。
[0016]本發(fā)明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，處理后的TC18鈦合金顯微組織中，等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為10~18%、平均尺寸為2-5 μ m，片狀α相厚度為0.5-1 μ m。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0018](I)選用初始組織為等軸α相(尺寸3~5μπκ含量約30νο1%)+β相基體的TC18合金，組織中的等軸α相在熱變形過程中形成，且能提高合金的塑性。因此，選用上述組織能夠為后續(xù)熱處理調(diào)控等軸α相的含量和尺寸提供了基礎(chǔ)，從而達(dá)到調(diào)控合金塑性的目的。
[0019](2)與傳統(tǒng)固溶-時效工藝相比，提高一級熱處理溫度、延長保溫時間，使顯微組織中等軸α相的含量大于10vol%、尺寸大于2μπι，片狀α相厚度大于0.5 μ m，能夠保證合金的塑性和韌性滿足0CT190173-75標(biāo)準(zhǔn)要求；同時，升高一級熱處理溫度能夠保留更多的亞穩(wěn)β相，進而在后續(xù)時效過程中促使析出更多細(xì)針α相，提高合金強度。
[0020](3)—級熱處理之后的冷卻方式，采用了水冷和強制空冷。其中:水冷會抑制亞穩(wěn)β相在冷卻過程中的分解，使得在第二級熱處理過程中由亞穩(wěn)β相分解、析出的細(xì)針α相大幅增加，即彌散強化效應(yīng)增強，使合金具有較高的強度；與水冷相比，強制空冷雖然冷卻速度相對較慢，但能夠使亞穩(wěn)β相在冷卻過程中發(fā)生部分分解，引起片狀α相長大、變厚，進而在僅略微降低合金強度的條件下，提高合金的斷裂韌性。
[0021](4)與傳統(tǒng)工藝的時效溫度相比，本發(fā)明的時效溫度選用相對較高的540~600°C范圍，在此范圍內(nèi)，不僅能保證細(xì)針α相在β晶粒內(nèi)的大量析出，使合金具有較高的強度，而且能促使少量α相依附于等軸α相和片狀α相析出，使得等軸α相和片狀α相的含量增加、尺寸長大，在一定程度上提升了合金的塑性和韌性。
[0022]綜上所述，與傳統(tǒng)固溶時效工藝相比，本發(fā)明通過綜合考慮熱處理溫度、時間、冷卻方式等參數(shù)變化對合金組織與性能的影響，能夠有效調(diào)控合金微觀組織中的等軸α相、粗片α相和細(xì)針α相含量和尺寸，保證等軸α相含量大于10vol%、尺寸大于2 μ m，片狀α相厚度大于0.5 μ m，同時又保有較高含量的細(xì)針α相，從而使TC18合金具備較高的強度，并且實現(xiàn)強度、塑性和韌性之間的良好匹配；且工藝簡單穩(wěn)定、操作方便、處理周期短、能耗低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]附圖1為實施例1制備的TC 18鈦合金的顯微形貌。
[0024]附圖2為實施例2制備的TC 18鈦合金的顯微形貌。
[0025]附圖3為實施例3制備的TC 18鈦合金的顯微組織。
[0026]附圖4為對比例制備的TC18鈦合金的顯微形貌。[0027]圖中等軸α相、片狀α相和細(xì)針α相的含量與尺寸均通過像素統(tǒng)計法進行統(tǒng)計確定。
[0028]從附圖1可以看出:黑色相為α相，其中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為12%、尺寸為3~4μm,片狀α相厚度約Ιμm,細(xì)針α相長度為2~3μm ;白色相為β相。
[0029]從附圖2可以看出:黑色相為α，其中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為16%、尺寸為2~3μm,片狀α相厚度約0.5 μ m,細(xì)針α相長度為2~4 μ m ;白色相為β相。
[0030]從附圖3可以看出:黑色相為α，其中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為15%、尺寸為4~5μm,片狀α相厚度約1.5μm,細(xì)針α相長度為I~2μm ;白色相為β相。
[0031]從附圖4可以看出:黑色相為α，其中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為9%、尺寸為I~3μm,細(xì)針α相長度為I~3μm ;白色相為β相。
【具體實施方式】:
[0032]下面結(jié)合實施實例對本發(fā)明做進一步說明。
[0033]實施例1
[0034]采用Φ 120mmX 150mm的TC18鈦合金熱鍛態(tài)棒材，其顯微組織由β相和等軸α相組成；等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為31%、平均尺寸為3~5 μ m。
[0035]測定TC18鈦合金熱鍛態(tài)棒材的β轉(zhuǎn)變溫度為865±5°C。第一步將合金棒材加熱至760°C保溫6h后，控制冷卻速度為2~3°C /s，強制空冷至室溫；第二步將合金棒材加熱至540°C保溫8h，然后空冷至室溫。
[0036]本實施例處理后的TC18鈦合金棒材室溫力學(xué)性能參數(shù)見表1。
[0037]表1實例I中的TC18棒材室溫力學(xué)性能
【權(quán)利要求】
1.一種TC18鈦合金熱處理工藝，包括下述步驟: 第一步:一級熱處理 將鍛態(tài)TC18鈦合金加熱至β相轉(zhuǎn)變溫度Te以下60°C~100°C保溫2~8h后，以2~.20°C/s的冷卻速度冷卻至室溫；所述鍛態(tài)TC18鈦合金顯微組織由β相為基體和等軸α相組成； 第二步:二級熱處理 將第一步冷卻后得到的合金加熱至540°C~600°C，保溫4~12h后，空冷至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:所述鍛態(tài)TC18鈦合金的名義化學(xué)成分為:T1-5Al-5Mo-5V-lCr-lFe。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:所述鍛態(tài)TC18鈦合金顯微組織中等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為28~35%、平均尺寸為3~5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:一級熱處理保溫后，合金采取強制空冷或水冷冷卻至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:第一步，一級熱處理保溫后以5~18°C /s的冷卻速度冷卻至室溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:第一步，一級熱處理保溫后以8~15°C /s的冷卻速度冷卻至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:第一步，一級熱處理保溫后以10~12°C /s的冷卻速度冷卻至室溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TC18鈦合金熱處理工藝，其特征在于:處理后的TC18鈦合金顯微組織中，等軸α相的體積分?jǐn)?shù)為10~18%、平均尺寸為2-5 μ m，片狀α相厚度為.0.5-1 μ m.
【文檔編號】C22F1/18GK103924180SQ201410136849
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】周科朝, 張驍泳, 鄧喆, 李志友, 王廣楠 申請人:中南大學(xué)