本發(fā)明屬于優(yōu)化鈦合金綜合性能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝。

背景技術(shù)：

鈦合金作為近幾十年發(fā)展迅速的新型輕金屬材料，具有強(qiáng)度、模量、韌性、高損傷容限和可焊接等優(yōu)良的綜合性能匹配，因而成為先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。隨著人們對(duì)飛行器要求的提高及飛行器設(shè)計(jì)理念的變化，不僅要求鈦合金的強(qiáng)度水平不斷提高，而且對(duì)鈦合金的韌性也提出了更高的要求，即在有效提高鈦合金強(qiáng)度的同時(shí)，要求其韌性也要保持在一定的水平。材料的損傷容限性能(包括疲勞裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性)逐漸成為考核材料能否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

近些年來(lái)，鈦合金的β熱處理工藝正以相當(dāng)快的速度廣泛取代傳統(tǒng)的α+β熱處理工藝。β熱處理獲得的片層組織中由于大量交錯(cuò)排列的片層α相的存在，使得裂紋通過(guò)不同位向α集束時(shí)不斷改變方向，導(dǎo)致裂紋路徑曲折、分支多，裂紋總長(zhǎng)度增加，擴(kuò)展需要消耗更多的能量，具有較高的裂紋擴(kuò)展阻抗能力，因此斷裂韌性高、疲勞裂紋擴(kuò)展速率低，考慮高強(qiáng)高損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)把片層組織作為優(yōu)選對(duì)象。然而，片層組織存在大幅度降低室溫拉伸塑性或疲勞強(qiáng)度的缺點(diǎn)，高強(qiáng)韌鈦合金如何通過(guò)β熱處理參數(shù)來(lái)控制材料的顯微組織特征，以期達(dá)到發(fā)揮片層組織的性能優(yōu)勢(shì)，避免其塑性偏低的缺點(diǎn)，解決合金強(qiáng)度與塑性、韌性之間的矛盾，具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，突破了利用傳統(tǒng)固溶-時(shí)效處理或固溶爐冷處理后鈦合金強(qiáng)度、塑性與損傷容限性能難以良好匹配的局限。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝，其特征在于，該工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上30℃～60℃，保溫時(shí)間t＝(d×0.6+20)min～(d×0.6+30)min，其中d為所述鈦合金鍛件的橫截面直徑，單位為mm，t1＝(t+30℃)～(t+60℃)；

步驟二、在冷卻速率為0.5℃/min～1℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下60℃～80℃，然后空冷至室溫；其中，鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以下60℃～80℃即為(t-80℃)～(t-60℃)；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為580℃～650℃，保溫時(shí)間為4h～8h。

上述的一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝，其特征在于，步驟一中所述固溶處理的溫度為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度以上40℃～50℃，保溫時(shí)間t＝(d×0.6+23)min～(d×0.6+30)min，其中d為所述鈦合金鍛件的橫截面直徑，單位為mm。

上述的一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝，其特征在于，步驟三中所述時(shí)效處理的溫度為590℃～620℃，保溫時(shí)間為6h～7h。

上述的一種提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝，其特征在于，步驟一中所述鈦合金鍛件為ti-5553鈦合金鍛件、tb6鈦合金鍛件或ti-1300鈦合金鍛件。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明選取在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的初始顯微組織具有等軸組織、網(wǎng)籃組織或雙態(tài)組織的鈦合金鍛件為熱處理對(duì)象，熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，突破了利用傳統(tǒng)固溶-時(shí)效處理或固溶爐冷處理后鈦合金強(qiáng)度、塑性與損傷容限性能難以良好匹配的局限。

2.本發(fā)明中控制固溶處理的溫度為該鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度以上30℃～60℃，目的是為了嚴(yán)格控制鈦合金鍛件中魏氏組織的晶粒尺寸，固溶處理后控制冷卻速率和冷卻溫度的目的是為了控制鈦合金鍛件中初生粗大片層α相的體積含量，再經(jīng)特定的時(shí)效處理工藝后，得到的鈦合金鍛件微觀組織中含有復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)的魏氏組織，即在體積分?jǐn)?shù)為10％～15％的粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α片層結(jié)構(gòu)。

3.本發(fā)明中固溶處理后控制冷卻工藝，得到合適晶粒尺寸下形成的體積分?jǐn)?shù)為10％～15％粗α相片層合金微觀結(jié)構(gòu)，既保證了鈦合金鍛件具有良好的塑性又有利于提高合金斷裂韌性，時(shí)效處理后在粗α相片層之間析出細(xì)小的次生α片層使鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度。因此這種復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)的魏氏組織與普通片層結(jié)構(gòu)的魏氏組織相比，能夠明顯改善魏氏組織大幅度降低室溫拉伸塑性的缺點(diǎn)，同時(shí)使鈦合金鍛件的強(qiáng)度、塑性及損傷容限性能得到了優(yōu)化。

4.本發(fā)明適合用于近β型或亞穩(wěn)β型高強(qiáng)韌鈦合金鍛件的熱處理過(guò)程，能夠滿足高綜合性能的應(yīng)用需求。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中ti-5553鈦合金鍛件熱處理后的顯微組織照片(放大倍數(shù)為1000)。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中ti-5553鈦合金鍛件熱處理后的顯微組織照片(放大倍數(shù)為10000)。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中tb6鈦合金鍛件熱處理后的顯微組織照片(放大倍數(shù)為1000)。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的tb6鈦合金鍛件熱處理后的顯微組織照片(放大倍數(shù)為10000)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上30℃(即t1＝t+30℃)，保溫時(shí)間t為110min，t＝(d×0.6+20)min；所述鈦合金鍛件為相變點(diǎn)溫度為850℃的ti-5553鈦合金鍛件，其橫截面直徑d為150mm；

步驟二、在冷卻速率為0.5℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下60℃(即t-60℃＝790℃)，然后空冷至室溫；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為580℃，保溫時(shí)間為6h。

從圖1和圖2中可以看出，采用本實(shí)施例工藝熱處理后，鈦合金鍛件的顯微組織中含有體積分?jǐn)?shù)為13％的初生粗α相片層，且該初生粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α相片層，屬于由復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)形成的魏氏組織結(jié)構(gòu)，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1

實(shí)施例2

本實(shí)施例提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上50℃(即t1＝t+50℃)，保溫時(shí)間t為150min，t＝(d×0.6+30)min；所述鈦合金鍛件為相變點(diǎn)溫度為810℃的tb6鈦合金鍛件，其橫截面直徑為200mm；

步驟二、在冷卻速率為0.8℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下70℃(即t-70℃＝740℃)，然后空冷至室溫；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為590℃，保溫時(shí)間為8h。

從圖3和圖4中可以看出，采用本實(shí)施例工藝熱處理后，鈦合金鍛件的顯微組織中含有體積分?jǐn)?shù)為11％的初生粗α相片層，且該初生粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α相片層，屬于由復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)形成的魏氏組織結(jié)構(gòu)，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2

實(shí)施例3

本實(shí)施例提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上45℃(即t1＝t+45℃)，保溫時(shí)間t為158min，t＝(d×0.6+26)min；所述鈦合金鍛件為相變點(diǎn)溫度為830℃的ti-1300鈦合金鍛件，其橫截面直徑為220mm；

步驟二、在冷卻速率為1℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下60℃(即t-60℃＝770℃)，然后空冷至室溫；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為650℃，保溫時(shí)間為4h。

采用本實(shí)施例工藝熱處理后，鈦合金鍛件的顯微組織中含有體積分?jǐn)?shù)為10％的初生粗α相片層，且該初生粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α相片層，屬于由復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)形成的魏氏組織結(jié)構(gòu)，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3

實(shí)施例4

本實(shí)施例提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上60℃(即t1＝t+60℃)，保溫時(shí)間t為128min，t＝(d×0.6+20)min；所述鈦合金鍛件為相變點(diǎn)溫度為830℃的ti-1300鈦合金鍛件，其橫截面直徑為180mm；

步驟二、在冷卻速率為0.5℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下80℃(即t-80℃＝750℃)，然后空冷至室溫；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為600℃，保溫時(shí)間為4h。

采用本實(shí)施例工藝熱處理后，鈦合金鍛件的顯微組織中含有體積分?jǐn)?shù)為15％的初生粗α相片層，且該初生粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α相片層，屬于由復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)形成的魏氏組織結(jié)構(gòu)，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表4

實(shí)施例5

本實(shí)施例提高鈦合金鍛件損傷容限性能的熱處理工藝包括以下步驟：

步驟一、對(duì)在相變點(diǎn)溫度以下鍛造得到的鈦合金鍛件進(jìn)行固溶處理；所述固溶處理的溫度t1為鈦合金鍛件相變點(diǎn)溫度t以上40℃(即t1＝t+40℃)，保溫時(shí)間t為143min，t＝(d×0.6+23)min；所述鈦合金鍛件為相變點(diǎn)溫度為830℃的ti-1300鈦合金鍛件，其橫截面直徑為200mm；

步驟二、在冷卻速率為0.6℃/min的條件下將步驟一中固溶處理后的鈦合金鍛件冷卻至其相變點(diǎn)溫度t以下70℃(即t-70℃＝760℃)，然后空冷至室溫；

步驟三、對(duì)步驟二中空冷后的鈦合金鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，然后空冷至室溫；所述時(shí)效處理的溫度為620℃，保溫時(shí)間為7h。

采用本實(shí)施例工藝熱處理后，鈦合金鍛件的顯微組織中含有體積分?jǐn)?shù)為14％的初生粗α相片層，且該初生粗α相片層之間分布著細(xì)小的次生α相片層，屬于由復(fù)合型片層結(jié)構(gòu)形成的魏氏組織結(jié)構(gòu)，該工藝熱處理后的鈦合金鍛件具有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性和韌性，同時(shí)具有更低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表5。

表5

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。