[发明专利]一种获取亚稳β钛合金双态组织的机械热处理方法

说明书

本发明公开了一种获取亚稳β钛合金双态组织的机械热处理方法，其步骤为：测定亚稳β钛合金的相转变温度T_β；合金高温均匀化处理，冷却方式为炉冷；合金铸锭开坯与前期墩拔过程在β单相区进行，剩余墩拔过程在T_β以下并接近T_β的温度下进行，每火次结束后均进行短时再结晶退火处理；变形合金进行两相区热处理。本发明选择在β单相区以及T_β以下并接近T_β温度下进行热变形，变形抗力显著减小，锻造缺陷得到有效控制；合金β单相区变形抗力低，变形量能得到有效控制，组织均匀性得到保障；整个机械热处理方法，操作简便，加工效率高，能源损耗低，组织力学性能得到显著提升。

技术领域

本发明涉及亚稳β钛合金机械热处理技术，具体涉及一种简单、有效的获取亚稳β钛合金双态组织的方法，属于钛合金材料加工领域。

背景技术

亚稳β钛合金具有高比强、高比刚、耐腐蚀以及无磁性等多种优异性能，是实现关键构件轻量化、进一步大幅减重，可替代高强钢的唯一候选材料，现已成为新一代航空航天飞机的主流结构材料（如波音777的起落架主梁和空客A380的起落架支柱就大量使用了亚稳β钛合金）。此外，亚稳β钛合金还广泛应用于海洋船舶、医疗器械、石油化工等领域。

亚稳β钛合金最常见的显微组织是β退火组织，可通过β相区热变形、β相区再结晶退火获得。该组织的一个重要特征是沿β/β晶界析出晶界α相（GBα），呈现连续、笔直的形貌，若β晶粒较粗大，合金的塑性将显著降低，严重影响合金的使用寿命。为了削弱连续GBα相的不利影响，实现钛合金强-塑性的良好结合，现有机械热处理技术的热变形与再结晶退火均在两相区进行（《Titanium(2nd edition)》Gerd Lütjering,James C. Williams），获得的组织称为双态组织。在两相区变形过程中，片状或条状的初生α相被破碎，呈现球状或短棒状，并有效限制β晶粒的快速长大。然而由于亚稳β钛合金相变点较低，因此两相区变形温度也相对较低，导致合金变形抗力激增，每火次的变形量很可能小于等于临界变形量，部分晶粒显著长大，组织不均匀性增加；此外，由于合金在两相区变形困难，易引发锻造裂纹的萌生与扩展，加工效率低下，能源损耗巨大。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、有效的获取亚稳β钛合金双态组织的机械热处理方法，以解决现有机械热处理技术加工困难等问题。

本发明的技术方案：一种获取亚稳β钛合金双态组织的机械热处理方法，包括如下步骤：

步骤一：合金相转变温度的测定：估算出亚稳β钛合金相转变温度T_估，通过金相法精确测定相转变温度T_β；

步骤二：合金高温均匀化处理：将亚稳β钛合金铸锭置于热处理炉内，加热至T_β+（250~300）℃，保温12h以上后随炉冷却至室温；

步骤三：合金热变形与短时再结晶退火：亚稳β钛合金铸锭首先开坯锻造，随着热变形的继续进行，铸锭的变形温度逐火次降低，但不低于T_β+100℃，每火次的变形量控制在30~50%范围内；随后，合金进行总共4~6火次的墩拔锻造，前3火次的变形温度为T_β+（30~50）℃，剩余火次的变形温度为T_β-（10~20）℃，每火次保温时间均相同，每火次的变形量控制在20~30%范围内；每火次变形完成后，均进行短时再结晶退火处理，加热温度为T_β-（10~20）℃，保温时间为5~10min，冷却方式为空冷；

步骤四：合金热处理：将步骤三制得的锻件置于热处理炉内，进行两相区热处理，即固溶处理+时效热处理或单独进行固溶处理，固溶处理温度为T_β-（30~50）℃，保温时间为0.5~1h；时效处理温度为400~600℃，保温时间不少于8h，固溶处理和时效处理的冷却方式均为空冷。