一种提高激光选区熔化α-β型钛合金疲劳性能的热处理方法技术

本发明专利技术属于金属材料先进制造领域，涉及一种提高激光选区熔化α

【技术实现步骤摘要】
一种提高激光选区熔化
α
‑
β
型钛合金疲劳性能的热处理方法


[0001]本专利技术属于金属材料先进制造领域，涉及一种提高激光选区熔化α
‑
β型钛合金疲劳性能的热处理方法，尤其涉及一种在不牺牲强度和塑性的前提下，提高激光选区熔化α
‑
β型钛合金疲劳性能的热处理方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有良好的室温及高温力学性能，具有低密度、高比强度、高耐腐蚀性等诸多性能优势，广泛应用于航空航天等尖端领域。其中，α
‑
β型钛合金具有较好的可焊性，可热处理强化，非常适合增材制造技术。随着先进航空航天装备对减重及性能的要求越来越高，目前的设计中越来越多地采用复杂整体结构件，这些复杂构件采用传统铸造、锻造方法无法实现制造。增材制造技术为解决航空航天领域α
‑
β型钛合金复杂零件的加工制造难题提供了可行的技术途径。
[0003]目前，增材制造钛合金零件在航空航天领域有大量应用需求，包括功能结构和承力结构。增材制造α
‑
β型钛合金复杂结构零件如要满足这些先进高端装备的使用需求，其各项力学性能均需达到型号技术要求，尤其对承力构件更需要保证疲劳性能。疲劳断裂是工程应用中结构件最常见的失效形式之一，据统计，约80％～90％的构件失效都是由疲劳引起的。
[0004]激光选区熔化成形过程是一个快热快冷的过程：随着高能束激光的快速扫描，钛合金粉末瞬间熔化并迅速凝固。该过程导致最终成形的α
‑
β型钛合金组织为粗大β晶粒及晶粒内针状马氏体α
’
相组成的魏氏组织，该组织一般疲劳性能较低。同时，激光选区熔化成形过程中容易产生孔隙及微裂纹等随机缺陷，分布在制件表面或近表面的缺陷往往会成为疲劳裂纹的起始源，进一步降低钛合金制件的疲劳性能及稳定性。
[0005]因此，对于增材制造α
‑
β型钛合金零件，如何保证并获得较高的疲劳性能水平，是实现型号应用需要解决的关键技术之一。在采用增材制造技术制备钛合金零件时，除了要采用合适的成形参数外，还需通过合理的热处理方法，在保证制件具有较高致密度、较好强度、塑性等静力性能的基础上，从微观组织调控和缺陷消除等方面进一步提升制件的疲劳性能，这在实际工程应用中具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：提供了一种激光选区熔化α
‑
β型钛合金的热处理方法，能够显著提高其疲劳性能，疲劳强度≥700MPa，优于同种材料锻件的水平。
[0007]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0008]一种提高激光选区熔化α
‑
β型钛合金疲劳性能的热处理方法，所述热处理方法中α
‑
β型钛合金经过应力退火和热等静压处理后，再经过温度为(T
β
‑
350)～(T
β
‑
250)℃的高温时效处理，其中，T
β
为α
‑
β型钛合金的β相转变温度。
[0009]热处理后获得的α
‑
β型钛合金中具有少量等轴α相，等轴α相体积占比为5～20％。
[0010]经上述步骤得到的激光选区熔化α
‑
β型钛合金制件，其由激光选区熔化成形过程产生的原始粗大β晶粒及晶粒内针状马氏体α
’
相消失，取而代之的是由β基体、片层状α相和少量等轴α相组成的近网篮组织。同时，钛合金制件内部的微孔及微裂纹等缺陷闭合。缺陷的闭合可明显减少疲劳源，片层状α相组成的网篮组织自身具有良好的疲劳强度，加之网篮组织中夹杂的少量等轴α相可增加疲劳裂纹的扩展难度，三种优化效果的叠加使得制件的疲劳性能得到显著提高。
[0011]所述高温时效处理中，保温4～6h。
[0012]所述热等静压温度为(T
β
‑
80)～(T
β
‑
40)℃。
[0013]所述热处理方法具体步骤如下：
[0014]步骤一：去应力退火处理：将激光选区熔化成形的α
‑
β型钛合金制件连带基板在620～700℃条件下保温1～3h，冷却至室温；
[0015]步骤二：热等静压处理：压力120～200MPa，保温保压2～4h，炉冷。
[0016]步骤三：高温时效处理，钛合金制件应随炉升温，升温速率为10～20℃/min，冷却方式为空冷。
[0017]步骤一中，去应力退火炉应选用真空热处理炉，炉内有效工作区温差在
±
10℃以内，钛合金制件应随炉升温，升温速率为5～10℃/min，冷却方式为氩气冷却，炉温低于50℃可出炉空冷。
[0018]步骤二中，热等静压炉的有效工作区温差在
±
8℃以内，钛合金制件应随炉升温，升温速率为10～25℃/min，炉冷至300℃以下方可排气，出炉空冷。
[0019]优选地，步骤二中，钛合金制件热等静压温度为(T
β
‑
70)～(T
β
‑
50)℃。
[0020]进一步地，步骤三中，钛合金制件时效温度为(T
β
‑
320)～(T
β
‑
260)℃；优选地，时效温度为(T
β
‑
290)～(T
β
‑
270)℃。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术采用了与常规钛合金热处理不同的去应力退火+热等静压+高温时效的技术方案，通过本方法对激光选区熔化α
‑
β型钛合金进行热处理，能够取得以下有益效果：
[0023]一、采用上述热处理方法，可实现钛合金制件组织和缺陷双重调控，可将由激光选区熔化成形过程产生的不均匀粗大β晶粒及晶粒内针状马氏体α
’
相组成的魏氏组织，转变为由β基体、片层状α相和体积分数为5～20％的少量等轴α相组成的近网篮组织；同时，制件内部微气孔及微裂纹缺陷可实现闭合。缺陷的闭合可明显减少疲劳源，片层状α相组成的网篮组织自身具有良好的疲劳强度，加之网篮组织中夹杂的少量等轴α相可增加疲劳裂纹的扩展难度，三种优化效果的叠加使得制件的疲劳性能得到显著提高。
[0024]二、热等静压参数设计需要基于对钛合金不同组织形态形成机理的深入理解和认识。本专利技术通过对增材制造成形钛合金中不同形态的α相和β相随温度和压力的变化规律、以及不同形态的相之间初生、长大及此消彼长的内在机理进行深入研究，确定了热等静压温度需在(T
β
‑
80)～(T
β
‑
40)℃范围时，既可显著消除缺陷，又可使退火后的组织成功转变为β基体+片层状α相的钛合金网篮组织，该组织具有较好的强度和塑性。但是为了在此基础上进一步提高其疲劳性能，本专利技术提出在此组织中增加少量等轴α相，不仅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高激光选区熔化α
‑
β型钛合金疲劳性能的热处理方法，其特征在于：所述热处理方法中α
‑
β型钛合金经过应力退火和热等静压处理后，再经过温度为(T
β
‑
350)～(T
β
‑
250)℃的高温时效处理，其中，T
β
为α
‑
β型钛合金的β相转变温度。热处理后获得的α
‑
β型钛合金中具有少量等轴α相，等轴α相体积占比为5～20％。2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：高温时效处理中，保温4～6h。3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于：热等静压温度为(T
β
‑
80)～(T
β
‑
40)℃。4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于：具体步骤：步骤一：去应力退火处理：将激光选区熔化成形的α
‑
β型钛合金制件连带基板在620～700℃条件下保温1～3h，冷却至室温；步骤二：热等静压处理：压力120～200MPa，保温保压2～4h，炉冷。步骤三：高温时效处理，钛合金制件应随炉升温，升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫泰起，陈冰清，孙兵兵，雷杨，张国会，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：