一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法技术

本发明专利技术属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法。变形坯料原始状态为锻态、β热处理态或β均匀化处理状态；变形坯料在电阻炉中加热到T

【技术实现步骤摘要】
一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法


[0001]本专利技术属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有比强度高、耐蚀、耐热等优点，因此在航空、航天、石油、化工、能源、汽车、医疗、体育休闲等领域得到广泛应用。随着航空和航天技术的发展，对高端钛材的需求越来越大，要求越来越多样化。即使是同一类合金如高温钛合金，如果用于发动机叶片、盘、机匣或鼓筒，性能要求也不一样。为此即使同一种材料，通过热加工和热处理工艺的特殊设计和优化，获得性能匹配不同的材料，对扩大材料应用面、更好满足用户需求是非常有意义的。
[0003]钛合金有等轴和片层组织两种基本组织形态，分别见图1(a)和图1(b)。在这两种基本组织形态上衍生出网篮和双态组织，分别见图1(c)和图1(d)。上述4种显微组织各有优缺点，如等轴组织优点是强度塑性匹配良好，缺点是韧性和蠕变、持久性能较差；片层组织优缺点与等轴组织正好相反，此外片层组织低周疲劳性能也是其限制其应用的“短板”；网篮组织继承了片层组织良好的韧性、蠕变、持久等性能，同时强度尤其是塑性得到较好保持，但目前只用于TC17和TC19等使用温度较低、热稳定性较高的钛合金；双态组织是片层组织和等轴组织的妥协的产物，其特点是等轴初生α相均匀镶嵌在片层组织基体上。当等轴初生α相含量增加时，性能匹配向等轴组织方向移动；当等轴初生α相含量减少时，性能匹配向片层组织方向移动。等轴初生α相的存在，使片层组织晶粒尺寸明显细化。因此双态组织的主要优点是综合性能优良，力学性能没有短板，但单项性能特征不明显，如韧性、高温持久和蠕变性能不及片层组织，强度、塑性匹配不及等轴组织，因此是片层和等轴组织的相互妥协的产物。
[0004]上世纪90年代以后，国内西工大等单位专利技术了一种特殊显微组织，命名为“三态”组织，见图1(e)。该类组织与双态组织更相似，不同点是片层组织基体上分布着等轴和短棒状两种不同形态的一次α相，再加上热处理后由β
→
α相变产生的细片状α相，共有3种形态的α相，因此成为“三态”组织。该组织的制备工艺特点是锻造坯料在相变点之下但接近相变点的某一温度加热后锻造，通过控制合适的变形量得到锻件毛坯；锻件毛坯经两相区较低温度热处理，获得“三态”组织。与双态组织相比，三态组织力学性能的优点是高温持久蠕变性能和韧性更高一些，强度和塑性降低不明显；缺点是该组织对锻造加热温度和变形量都非常严格，因为锻件形状尺寸差异，不同位置变形量差异较大，锻件变形量大的区域很容易成为等轴或双态组织，因此没有得到大规模应用。
[0005]综上所述，目前钛合金的5类显微组织中，等轴和片层组织代表了两个极端，其余组织均是在这两种组织基础上衍生出来的，这些衍生显微组织的优点是综合力学性能匹配良好，但就单项力学性能而言优势并不明显。
[0006]近年来，随着高马赫数飞行器的快速发展，对钛合金耐热温度和高温强度的要求越来越高。传统高温钛合金材料强调强韧性匹配，现在的问题是突出单项性能。如在允许降低韧性甚至塑性的前提下，能否显著提高传统高温钛合金的高温强度，包括静强度和持久强度，同时保留可接受的工艺性能、成形性能、焊接性能等，成为新的研究难点之一。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，技术原理适用于近α型高温钛合金。采用本专利技术技术制备的轧制棒材或环形件，可用于航空航天等领域对室温和高温强度要求苛刻的零件或部位，满足航空航天等高
对高质量、低成本钛合金棒材或环轧件的需求。
[0008]本专利技术的技术方案是：
[0009]一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，热加工工艺如下：
[0010]1)变形坯料原始状态为锻态、β热处理态或β均匀化处理状态；
[0011]2)变形温度在T
β
‑
30℃～T
β
+15℃范围内，采用电炉加热，热透后保温0.5h～1.5h；T
β
为材料α+β/β相变点；
[0012]3)热变形：采用棒材轧机或辗环机，对变形坯料施加1火次热变形，总变形量控制在40～80％范围内；
[0013]4)固溶处理：热变形后材料在电阻炉中加热到α+β/β相变点以下45℃～15℃，热透后保温1～3h，出炉后采用空冷或水淬或油淬方式冷却到室温；
[0014]5)经步骤4)固溶处理的材料按常规工艺进行其余热处理。
[0015]所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，采用该方法制成的轧制棒材或环形件，其高倍组织为一种混合组织，不同形态、尺寸的α相非均匀分布在原始β晶粒基体上。
[0016]所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，步骤3)中，变形坯料在α+β/β相变点以下30℃到α+β/β相变点以上15℃范围内施加40％～80％的轧制变形；热变形设备采用棒材轧机或辗环机，加热设备采用控温精度
±
10℃的电阻炉。
[0017]所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，步骤3)中，变形坯料在α+β/β相变点以下15℃到α+β/β相变点以上15℃范围内施加40％～80％的轧制变形；热变形设备采用棒材轧机，加热设备采用控温精度
±
10℃的电阻炉。
[0018]所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，步骤3)中，变形前坯料经β相变点以上25℃均匀化处理，然后在α+β/β相变点以下20℃到α+β/β相变点以上15℃范围内施加40％～80％的轧制变形；热变形设备采用棒材轧机，加热设备采用控温精度
±
10℃的电阻炉。
[0019]所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，热处理工艺为双重热处理，第一重热处理温度为α+β/β相变点以下45～15℃。
[0020]针对航空航天领域对高温钛合金材料的最新需求，本专利技术提出了一种具有混合组织特征的高温钛合金热加工制备方法。通过采用特殊的工艺控制手段，获得一种特殊的显微组织，见图2。其特点之一是显微组织是由粗等轴状、细等轴状、粗条状、细条状等多种形
态尺寸的α相和残余β相组成；特点之二是显微组织具有较高程度的非均匀性。具有这种组织的材料其高温强度比常规组织提高10％以上，相同测试条件下的持久寿命提高2倍以上，具有良好应用前景。
[0021]本专利技术的设计思想是：
[0022]双态组织中的初生α相因为晶粒尺寸较粗(≥10μm)，强化作用不明显，其主要作用是通过体积分数变化，调节β转变组织中合金元素的相对含量和原始β晶粒尺寸。本专利技术的设计思想是将传统双态组织中形状、尺寸均一的α相转变为形状、大小不一的α相，这些α相协同作用，使其综合强化作用明显改善，有利于材料拉伸和持久强度的提高。
[0023]本专利技术的优点及有益效果是：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，其特征在于，热加工工艺如下：1)变形坯料原始状态为锻态、β热处理态或β均匀化处理状态；2)变形温度在T
β
‑
30℃～T
β
+15℃范围内，采用电炉加热，热透后保温0.5h～1.5h；T
β
为材料α+β/β相变点；3)热变形：采用棒材轧机或辗环机，对变形坯料施加1火次热变形，总变形量控制在40～80％范围内；4)固溶处理：热变形后材料在电阻炉中加热到α+β/β相变点以下45℃～15℃，热透后保温1～3h，出炉后采用空冷或水淬或油淬方式冷却到室温；5)经步骤4)固溶处理的材料按常规工艺进行其余热处理。2.按权利要求1所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，其特征在于，采用该方法制成的轧制棒材或环形件，其高倍组织为一种混合组织，不同形态、尺寸的α相非均匀分布在原始β晶粒基体上。3.按权利要求1所述的具有混合组织和高强度特征的高温钛合金热加工制备方法，其特征在于，步骤3)中，变形坯料在α+β/β相变点...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建荣，王清江，赵子博，李文渊，朱绍祥，王磊，陈志勇，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：