[發明專利]一種TC18鈦合金的熱處理方法

有效

• 申請號: 201410136849.1
• 申請日: 2014-04-08
• 公開（公告）號: CN103924180A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 周科朝;張驍泳;鄧喆;李志友;王廣楠
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種TC18鈦合金熱處理方法，屬金屬材料熱處理技術領域。

背景技術

TC18鈦合金名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe，屬于近β型鈦合金，具有塑性變形性好、淬透性深、強度高（σ_b≥1100MPa）、斷裂韌性高（K_1C≥50MPa·m^1/2）等優點，適合制造高負載承力的航空結構件，在航空航天領域受到廣泛關注。近年來，TC18鈦合金因其優越的性能，在船舶、海水淡化、汽車工業、體育等領域的應用逐漸增多。

熱處理對TC18鈦合金顯微組織和力學性能的調控具有重要作用。TC18鈦合金的顯微組織主要由α相和β相組成，其中α相作為主要強化相，其形貌、含量和尺寸對合金的力學性能有著極為重要的影響。例如等軸α相含量越高、尺寸越大，合金塑性越好；較高含量的細針α相有利于大幅提高合金強度；粗片α相含量和厚度的增加有利于提高合金斷裂韌性等。因此，制定合適的熱處理工藝，調控不同形貌α相的含量和尺寸等微觀特征，使產品獲得滿足使用要求的力學性能，在TC18合金的生產過程中具有重要作用。

目前TC18鈦合金常用的熱處理工藝有雙重退火和固溶-時效兩種。雙重退火由俄羅斯OCT1規范推薦，其一般過程為：820～850℃保溫1～3h→隨爐冷卻至740～760℃保溫1～3h→空冷→500～650℃保溫2～6h→空冷。雙重退火后的TC18合金顯微組織主要由等軸α、粗片α和β基體組成，合金具有優良的塑性（δ≥14%）和斷裂韌性（K_1C≥70MPa·m^1/2），在工業生產上得到了廣泛的應用。然而，雙重退火過程包括三次保溫階段，尤其第一次保溫后采用了爐冷，整個工藝過程較長，且在工藝控制的準確性、一致性方面較難保證；特別是雙重退火后合金顯微組織中的細針α相含量較低，導致抗拉強度和屈服強度普遍低于1200MPa，難以滿足更高強度的使用要求。因此，近年來固溶-時效工藝越來越受到關注。

固溶-時效一般過程為：T_β-150℃附近保溫1～3h→淬火→400～600℃保溫2～6h→空冷。與雙重退火相比，固溶-時效僅需兩次保溫，且第一次保溫后采用水淬冷卻，故其工藝過程較短；同時，固溶-時效后的TC18合金顯微組織中含有大量彌散分布的細針α相，使得合金的抗拉強度與屈服強度大幅提高（≥1250MPa），能夠滿足更高強度的使用要求。然而，在固溶-時效后的合金顯微組織中，等軸α相與粗片α相的含量較低，導致合金的塑性與斷裂韌性較差，往往難以滿足伸長率≥6%、斷裂韌性≥55MPa·m^1/2的俄羅斯OCT190173-75標準要求；另外，現有的固溶-時效工藝大多僅考慮了熱處理溫度對合金組織和性能的影響，而對保溫時間、冷卻方式等參數考慮較少。因此，在固溶-時效工藝的基礎上，綜合考慮溫度、時間和冷卻方式等多個參數的影響，開發一種既保證TC18鈦合金高強度、又使合金塑性和韌性滿足使用要求的熱處理工藝是該合金的新方向之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種TC18鈦合金熱處理工藝，本發明處理后的TC18鈦合金，不僅具有較高的強度，而且克服了傳統雙重退火工藝存在合金強度較低以及固溶-時效工藝難以使合金塑性和韌性滿足使用要求的問題。

本發明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，包括下述步驟：

第一步：一級熱處理

將鍛態TC18鈦合金加熱至β相轉變溫度T_β以下60℃～100℃保溫2～8h后，以2～20℃/s的冷卻速度冷卻至室溫；所述鍛態TC18鈦合金顯微組織由β相為基體和等軸α相組成；

第二步：二級熱處理

將第一步冷卻后得到的合金加熱至540℃～600℃，保溫4～12h后，空冷至室溫。

本發明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，所述鍛態TC18鈦合金的名義化學成分為：Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。

本發明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，所述鍛態TC18鈦合金顯微組織中等軸α相的體積分數為28～35%、平均尺寸為3～5μm。

本發明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，一級熱處理保溫后，合金采取強制空冷或水冷冷卻至室溫。

本發明涉及一種TC18鈦合金熱處理工藝，第一步，一級熱處理保溫后以5～18℃/s的冷卻速度冷卻至室溫；更優選以8～15℃/s的冷卻速度冷卻至室溫；最優為10～12℃/s的冷卻速度冷卻至室溫。