[发明专利]一种制备高强韧TC21钛合金梯度组织的方法

说明书

本发明提供一种制备高强韧TC21钛合金梯度组织的方法，将TC21钛合金棒材或板材施加脉冲电流，利用电阻进行局部加热处理，通过控制脉冲电压、脉冲电流、脉冲频率等参数，实现在TC21钛合金棒状试样或者板状试样中产生温度梯度，通过控制温度梯度的宽度和保温时间，最终在室温条件下获得梯度组织结构。本发明不需要改变合金成分组成，便可产生包含原始材料组织、过渡区梯度组织和片层组织的整体结构件，实现了保留原始材料优势性能的同时，改进了材料的综合性能。该方法操作简单，设备简易，环保经济，既提高了生产效率，又降低了能源消耗，具有较大的工业推广价值。

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种制备高强韧TC21钛合金梯度组织的方法。

背景技术

高强韧钛合金由于具有高强度、优异的耐腐蚀性能和较高的抗疲劳损伤性能，且与钢、镍基合金和钴合金相比具有更低的密度，一直受到国内外的广泛关注。尤其是近十年来，随着熔炼、热加工工艺及装备的不断发展，高强韧钛合金已经成功应用于航空航天领域，如飞机起落架、机翼梁和发动机等重要部件。高强韧钛合金结构件在服役过程中不可避免的遭受复杂、周期性的应力作用，这导致该类合金的形变损伤，尤其是疲劳损伤成为制约航空飞行器安全可靠性和长寿命的关键因素。对于某些旋转部件，往往在同一零件不同位置还会受到不同的外力，例如发动机叶盘，叶片区域由于受到高频率低应力的振动，因此叶片区域要求具有良好的抗高周疲劳性能；而盘体区域承受低频率高离心力的作用，因此要求材料具有良好的抗裂纹扩展能力和断裂韧性。然而，传统的方法是通过焊接、销钉或者榫齿连接的方法，但是，榫齿连接部分或焊接界面包括热影响区，导致高残余应力和大变形，所以会降低结构件强度和长期可靠性。因此，近年来，发展了双性能整体叶盘设计，即控制试样中间区域形成梯度过渡组织，从而将叶片和盘体连接成为一个整体。

近年来，人们已经进行了多次尝试以制备这种梯度组织结构，并取得了不同程度的成功，如粉末冶金法，控温锻造法和分区热处理法等。然而，以上方法所需设备非常昂贵，且制备过程比较复杂，操作难度大，制备小型试样比较困难。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种制备高强韧TC21钛合金梯度组织的方法，该梯度组织能够有效地避免结构件由于连接缺陷而产生应力集中或断裂失效。本发明是在高强韧TC21钛合金中提供一种热处理方法来制备渐变的梯度组织；提供一种在航空航天用钛合金结构件中生产梯度渐变组织的热处理方法；针对多相复杂合金，提供一种可以获得综合性能匹配最佳的组织结构的热处理方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种制备高强韧TC21钛合金梯度组织的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用电火花线切割制备棒状试样或者板状试样，并对棒状或板状试样表面进行预处理，所述试样为高强韧TC21钛合金试样，其名义成分为Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si，该合金相变点温度为945±5℃；

步骤2：将待热处理试样与脉冲电源的正负极相连，并放入手套箱，所述的试样与脉冲电源正负极相连的具体方法：脉冲电源正负极采用铜板，尺寸为35×60×3mm，利用铜板将待加热试样进行夹持固定；可以通过调整夹持位置，而调节待加热的区域，实现加热区域的可控调节；

步骤3：对手套箱进行抽真空处理；

步骤4：对手套箱通入氩气气氛，保护待热处理的试样，防止被氧化；

步骤5：接通脉冲电源，调整脉冲电流，脉冲电压和脉冲频率，对试样进行电阻加热；所述脉冲电流为75-90A，所述脉冲电压为65-80V，所述脉冲频率为500-600Hz，升温时间为1-2分钟，所述电阻加热形成温度梯度：在试样通电的中间部位产生最高的温度，从中间向两边温度依次降低，形成温度梯度，其中最高温度控制在1000℃-1050℃之间，即高于相变点50-100℃；

步骤6：加热后，切断脉冲电源，使试样冷却，最终在室温条件下获得梯度组织结构。