一种TA15钛合金粉末制件的制备方法技术

一种TA15钛合金粉末制件的制备方法，首先对粉末热等静压后的TA15钛合金进行第一步固溶处理，即在1050℃固溶0.5h，使初始组织中的α相完全溶解，以10℃/min的冷速炉冷到第二步固溶温度850～950℃，保温1h，控制β晶粒尺寸并析出初生α相，然后水淬至室温，析出少量次生α相；将两步固溶处理后的TA15合金再加热到600℃进行4h时效，然后空冷至室温，调整次生α相含量并稳定组织。本发明专利技术使TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度得以大幅度提高，抗拉强度的平均值达到1023MPa，屈服强度为937MPa，达到锻件水平，能够用于粉末冶金热等静压近净成形制备TA15钛合金结构件。

A preparation method of TA15 titanium alloy powder

【技术实现步骤摘要】
一种TA15钛合金粉末制件的制备方法
本专利技术属于粉末冶金钛合金领域，提供一种能够改善TA15钛合金粉末制件显微组织和力学性能的制备方法。具体适用于粉末热等静压成形TA15钛合金材料及制件。
技术介绍
TA15名义成分Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，属于高Al当量的近α型钛合金，具有良好的热强性、中等的室温和高温强度、良好的热稳定性，主要制造500℃以下长时间工作的飞机、发动机零件和焊接承力零部件。目前，TA15钛合金制造方法主要包括铸造、锻造和粉末冶金等。其中，粉末冶金是一种高效、低成本、可实现近净成形的一种钛合金制备技术，而粉末热等静压可以实现近净成形，具有设计灵活性、致密无偏析、具有各向同性且力学性能可达到锻件水平等优势。目前，王琪在《粉末冶金材料与工程》2014年4月第19卷第2期《TA15钛合金的高温蠕变行为》，《稀有金属材料与工程》2013年9月第42卷第9期《粉末冶金TA15钛合金高温塑形变形加工图》，《粉末冶金材料科学与工程》2013年10月第18券第5期《粉末冶金TA15钛合金的高温塑形变形行为》三篇公开论文中利用热等静法制备TA15钛合金致密体，采用Gleeble-1500热模拟机对粉末冶金TA15钛合金进行热压缩试验，研究该合金在850～1050℃应变速率为0.001～0.01s-1范围内，其高温塑形变形行为并绘制出热加工图，与此同时，研究了500～525℃，应力为250～350MPa下高温蠕变行为。并未对出现组织不均匀性进行研究。本专利技术中，粉末冶金热等静压法制备的TA15钛锭显微组织出现不均匀α相组织特征，等轴α相分布在原始颗粒边界，片层α相分布在原始颗粒内部，如图2所示。目前现有的热处理工艺主要采用在两相区进行组织调控，工程生产中采用两相区低温段850～880℃温度区间进行保温1～2h，空冷至室温，但组织形貌仍遗传热等静压态形貌。以及，在两相区固溶处理+低温时效处理，同样仍无法有效的改善其组织形貌，且力学性能较差。在公开号为CN1830617A的专利技术创造中提出了一种TA15合金环形件、模锻件锻造及热处理工艺，该方法适于TA15合金环形件和模锻件的制备，所采用的热处理制度为830～850℃，保温2h，空冷，可获得良好的组织和力学性能，其抗拉强度可达1057MPa。但该热处理工艺用于粉末冶金制备的TA15钛合金，其抗拉强度仅约为922MPa，详见表1。赵慧君在《中国有色金属学报(英文版)》2015(6):1881-1888公开的论文《真空退火对TA15合金板材组织和力学性能的影响》中研究真空热处理工艺对TA15合金力学性能影响，当热处理工艺为930℃/2h/AC+600℃/2h/AC时，可获得最佳的抗拉强度1070MPa，而本专利技术采用该热处理工艺，不能改善热等静压态时存在的不均匀α组织形貌，如图4所示，抗拉强度仅为946MPa，详见表1。综上所述，关于粉末热等静压法制备TA15钛合金采用现有的热处理工艺，并不能有效改善和消除热等静压态的组织遗传性，并且强塑性匹配较差。目前，关于改善粉末冶金TA15钛合金的组织与性能报道几乎没有。因此，急需提出一种能够改善TA15钛合金组织性能的方法。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的不能有效改善和消除热等静压态的组织遗传性，并且强塑性匹配较差的不足，本专利技术提出了一种TA15钛合金粉末制件的制备方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，压制钛锭。压制钛锭的TA15合金粉末的粒度尺寸为60～250μm。压制钛锭的具体过程是：将制备的TA15预合金粉末装入筒状的碳钢包套内。将装有TA15预合金粉末的碳钢包套置于振动平台上振实，使所述TA15预合金粉末的致密度达到66～68％。对该碳钢包套进行加热除气，加热温度为500～550℃，真空达到10-4Pa后，保温4h。保温结束后对该碳钢包套进行氧乙炔封焊除气口。将封焊后的碳钢包套置于热等静压炉中进行压制；热等静压的温度为950℃，保压压力为150MPa，保温保压试件为4h；得到致密度达到99.8％圆柱钛锭。步骤2，切取拉伸试样。在得到的钛锭的芯部和边部分别切取2根拉伸试样。所述的拉伸试样均为棒样。步骤3，热处理。将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理。所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理。具体过程是：两步固溶处理的具体过程是：Ⅰ将热处理炉升温至1050℃并保温0.5h。Ⅱ保温结束后，以10℃/min的冷速炉冷到850℃～950℃后保温1h。保温结束后水淬至室温。时效处理：将经过两步固溶处理的拉伸试样加热至600℃进行4h时效，出炉空冷至室温。将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理。所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理。热处理过程结束，得到钛合金拉伸试样。本专利技术首先对粉末热等静压后的TA15钛合金进行第一步固溶处理，即在1050℃固溶0.5h，使初始组织中的α相完全溶解，以10℃/min的冷速炉冷到第二步固溶温度850～950℃，保温1h，控制β晶粒尺寸并析出初生α相，然后水淬至室温，析出少量次生α相；将两步固溶处理后的TA15合金再加热到600℃进行4h时效，然后空冷至室温，调整次生α相含量并稳定组织。本专利技术的工艺为：(1)第一步固溶处理，在1050℃保温0.5h，然后以10℃/min的冷速炉冷到(2)第二步固溶温度850～950℃，保温1h，然后水淬至室温；(3)将两步固溶处理后的TA15合金再加热到600℃进行4h时效，然后出炉空冷至室温。见图1。本专利技术中，对粉末热等静压后的TA15钛合金进行加热到β单相区1050℃/0.5h的固溶处理，使初始组织中的α相在完全溶解，消除粉末热等静压组织中不均匀分布的α相；然后以10℃/min的冷速炉冷到850～950℃，保温1h，控制β晶粒尺寸并析出初生α相，然后水淬，保留高温下的组织形貌，得到过饱和的富溶质的固溶体；进一步加热到600℃进行4h时效处理，使得固溶体分解析出次生α相，通过优化时效时间调整次生α相含量并达到稳定组织的目的。粉末冶金热等静压法制备的TA15钛锭显微组织出现不均匀α相组织特征，等轴α相分布在原始颗粒边界，片层α相分布在原始颗粒内部，如图1所示。并且，在两相区进行直接退火和两相区固溶+时效处理，组织形貌仍然遗传热等静压态不均匀α相组织特征，如图2和图3所示。采用本专利技术处理的TA15钛合金粉末冶金件，可以有效的改善显微组织中不均匀分布的α相，并获得均匀的片层组织，显著改善了热等静压态的不均匀α相组织特征，如图5～图10所示。并且两步固溶处理+低温时效处理后TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度得以大幅度提高，室温拉伸性能列于表1，可以看出，其抗拉强度的平均值达到1023MPa，屈服强度为937MPa，达到锻件水平。并且，该热处理工艺可应用到粉末冶金热等静压近净成形技术制备的TA15钛合金结构件。表1粉末热等静压TA15钛合金的室温拉伸性能附图说明图1为本专利技术工艺过程示意图。图2为粉末热等静压态TA15钛合金的显微组织，放大倍数100×。图3为850℃/2h直接退火处理后TA15钛合金的显微组织，放大倍数200×。图4为930℃/2h/AC固溶+600℃/4h/AC时效处理后TA15钛合金的显微组织，放大倍数200×。图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TA15钛合金粉末制件的制备方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，压制钛锭；步骤2，切取拉伸试样；在得到的钛锭的芯部和边部分别切取2根拉伸试样；所述的拉伸试样均为棒样；步骤3，热处理；将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理；所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理；具体过程是：两步固溶处理的具体过程是：Ⅰ将热处理炉升温至1050℃并保温0.5h；Ⅱ保温结束后，以10℃/min的冷速炉冷到850℃～950℃后保温1h；保温结束后水淬至室温；时效处理：将经过两步固溶处理的拉伸试样加热至600℃进行4h时效，出炉空冷至室温；将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理；所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理；热处理过程结束，得到钛合金拉伸试样。

【技术特征摘要】
1.一种TA15钛合金粉末制件的制备方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，压制钛锭；步骤2，切取拉伸试样；在得到的钛锭的芯部和边部分别切取2根拉伸试样；所述的拉伸试样均为棒样；步骤3，热处理；将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理；所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理；具体过程是：两步固溶处理的具体过程是：Ⅰ将热处理炉升温至1050℃并保温0.5h；Ⅱ保温结束后，以10℃/min的冷速炉冷到850℃～950℃后保温1h；保温结束后水淬至室温；时效处理：将经过两步固溶处理的拉伸试样加热至600℃进行4h时效，出炉空冷至室温；将得到的各拉伸试样置于热处理炉中进行热处理；所述的热处理过程包括两步固溶处理+时效处理；热处理过程结束，得到钛合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：寇宏超，王艺超，孙智刚，高文强，唐斌，李金山，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61