[发明专利]制造具细针状显微组织的钛和钛合金的方法

说明书

本发明涉及制造含有细针状显微组织并具有优良断裂韧性及疲劳性能的钛和α钛合金与（α+β）钛合金材料的方法。

钛和钛合金由于其强度密度比高及耐蚀性优良，而在不同的材料应用如航空航天及汽车结构部件等方面均被采用，而且其应用范围还在扩大。通常，对这些材料所要求的性能，是良好的断裂韧性和高疲劳强度，满足上述要求的结构材料必须在金相上具有细小的显微组织。

钛和钛合金以板、丝、棒、管或型材形式供应，并且通常结合热加工和热处理来制造，但用现有技术中的各种方法，均难以制得具有均匀细致显微组织的产品。特别是，就工业纯钛而论，由于杂质含量有所限定，就难以均匀地加细显微组织。另一方面，α钛合金和（α+β）钛合金的缺点在于，适宜的加工温度范围窄得在加工过程中，既不能满足为得到非常精密的产品形状所需的良好加工性能要求，又不能满足形成细致显微组织的要求。

上述合金的已知制造方法，例子包括日本专利特公昭58-100663中所公开的方法（即在具有良好加工性能的β区进行粗加工，然后在（α+β）区进行精加工），以及日本专利特公昭63-4914中公开的方法（即在（α+β）区和窄温度范围内重复加热和加工，以此形成细等轴晶粒的显微组织）。

然而，在这些方法中，都必须在热加工性差的（α+β）区进行一步高序次加工，因此由于出现热撕裂等，而使生产率很差。此外，得到的显微组织也不够细。为此，在某些情况下，正如AMS4935E中所规定，精加工在易于加工的β区进行。在此情况下，也由于加工是在β区以高温进行，不仅使β晶粒本身生长成大尺寸，而且即使在随后进行淬火，也难以制得所需的细针状显微组织。

特别是，在钛和现有的α与（α+β）钛合金中，由于β转变点高（例如，JJS2级钛约为885℃，αTi-5Al-2.5Sn约为1040℃，以及（α+β）Ti-6Al-4V约为990℃），所以β相本身被粗晶化。另外，由于Ms点高（例如，JIS2级钛约为850℃，αTi-5Al-2.5Sn约为950℃，（α+β）Ti-6Al-4V约为850℃），而在自β区温度起冷却的过程中，针状马氏体相分解成（α+β）相。从而，按常规方法制得的材料，包含由粗化β相形成的粗层状α相和残余β相的混合组织。从诸如疲劳强度等性能的角度来看，这种材料不如具有细显微组织的材料。

此外，由于视材料尺寸而定，材料表面层和中心部分的可淬性有所不同。上述的不良可淬性不利地提供了多相组织。

如果打算使β转变点或Ms点降低来解决上述问题;则将补充合金元素如V、Cr和Mo和添加到α与（α+β）钛合金中，就是以满足此目的。然而，添加上述元素，使材料组成变得与所需的组成不同，使此方法不能使用。

由上面的说明可见，迄今尚未发现，有任何一种常规方法能有效地形成易于加工的显微组织，并能有效地将得到的显微组织转变成细针状显微组织。

本发明的一个目的，是提供一种制造钛和α钛合金与（α+β）钛合金材料的方法，该材料含有细针状显微组织，并具有优良的加工性能和疲劳性能，特别是高断裂韧性。

为了达到上述目的，本发明的组成部分如下。

本发明人研究了能易于掺入钛及α钛合金与（α+β）钛合金中，并易于从其中除去的氢的作用，结果获得如下发现。

特别是，当钛和α钛合金与（α+β）钛合金被氢化时，氢就溶于材料中，使β转变点降低。这就使加工在具有优良加工性的β区，以低于现有技术中所采用的温度进行成为可能，结果，β区的β晶粒的粗化可予抑制。此外，由于氢化使材料的可淬性得以改善，故可从材料表面到中心部分均匀地形成细针状马氏体显微组织，不需在热加工后自β区冷却时进行专门的淬火。接着材料在真空中加热，使材料脱氢，同时使材料具有包含针状显微组织的均匀细显微组织，从而得到具有优良疲劳强度，特别是优良断裂韧性的材料。

本发明就是以这样的新发现为基础完成的，而且其特征在于，将被0.02-2%（重量）的氢量所氢化的钛材料或者α钛合金或（α+β）钛合金材料，加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，使加热过的材料在上述温度范围内经受压下量为30%或大于30%的热加工，在β单相温度区结束所述的加工，将加工过的材料冷却到400℃或400℃以下的温度，在真空中将冷却过的材料退火。