[發明專利]一種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法

有效

• 申請號: 201410196566.6
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN105088120B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 馬英杰;雷家峰;劉羽寅;楊銳
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富,周秀梅

技術領域

本發明涉及通過熱處理優化鈦合金綜合性能技術領域，具體涉及一種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法，該力學性能得到優化的鈦合金在航空航天領域將有更寬廣的應用范圍。

背景技術

鈦合金因其具有較高的比強度及優異的抗腐蝕性能，在航空、航天及船舶領域獲得了廣泛的應用。鈦合金的等軸組織具有優異的拉伸性能及高周疲勞性能，是目前應用最廣泛的鈦合金顯微組織類型。而具有粗大原始β晶粒的魏氏組織鈦合金具有優于等軸或雙態組織的損傷容限性能，即較低的疲勞裂紋擴展速率(da/dN)和較高的斷裂韌性(K_IC)。航空結構設計開始將具有魏氏組織的鈦合金列為選材范圍，以提高結構的使用壽命及可靠性。

現有鈦合金的魏氏組織具有普通片層結構，其是將合金在α/β相完全轉變點T_β以上經過熱處理所獲得的，具有普通片層結構的魏氏組織鈦合金拉伸強度及塑性較低，采用提高固溶后冷卻速度的方式能夠在一定程度上提高拉伸強度并降低da/dN，但同時伴隨拉伸塑性及斷裂韌性的損失，并且對于da/dN的降低作用是存在一定極限的。

結構設計選材中，期望材料具有更低的da/dN、更高K_IC的及更優異的拉伸性能，因此，亟待通過熱處理能夠對材料的性能進行調控優化。

發明內容

針對進一步優化鈦合金魏氏組織以提高其綜合性能的問題，本發明提供一種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金及其制備方法，將魏氏組織通過適當的熱處理同時降低da/dN、提高K_IC，并且材料的拉伸強度及塑性均能獲得一定程度的提升。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金的制備方法，該方法首先選取具有普通片層結構的魏氏組織的鈦合金坯料，然后將其進行熱處理，熱處理溫度為該鈦合金α/β相完全轉變點以下10～20℃范圍內；鈦合金坯料保溫結束后以空冷或風冷的方式冷卻至室溫，獲得具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金。

對鈦合金坯料進行熱處理的保溫時間t(min)＝η×δ_max，δ_max為以毫米(mm)表示的坯料的最大截面厚度或直徑，η為加熱系數，η的取值為0.4～0.9，t(min)是指以分鐘表示的時間值。

所述具有普通片層結構的魏氏組織是指α片層之間分布著β相，具有普通片層結構的魏氏組織的鈦合金坯料獲取方式如下：

將具有等軸或雙態顯微組織的鈦合金坯料在合金α/β相完全轉變點以上20℃～100℃范圍內的某一溫度進行熱處理，保溫時間為t(min)＝η×δ_max，δ_max為以毫米(mm)表示的坯料的最大截面厚度或直徑，η為加熱系數，η的取值為0.3～0.8，t(min)是指以分鐘表示的時間值；鈦合金坯料保溫結束后空氣中冷卻至室溫，獲得具有普通片層結構的魏氏組織鈦合金坯料。

利用上述方法制備的鈦合金，其具有復合型片層結構的魏氏組織，即在粗大的α片層之間分布著細小的次生α片層，所述次生α片層占的體積比例為60-80％。

本發明的優點在于：

1、本發明通過將魏氏組織在α+β兩相區特定溫度范圍內進行熱處理，并控制熱處理后的冷卻速度，能夠獲得一種復合型片層結構，這種特殊結構能夠提高魏氏組織的拉伸性能、斷裂韌性并同時降低其da/dN，從而進一步全面優化了魏氏組織的力學性能，突破了現有采用提高冷速對具有普通片層結構的魏氏組織性能優化的局限性，提高了具有魏氏組織鈦合金的應用潛力。

2、本發明通過將具有普通片層結構的魏氏組織在α/β相完全轉變點以下進行保溫并以一定速度冷卻，冷卻過程中原始粗大α片層間的β相轉變為細小的次生α片層。復合型片層組織中粗大片層間細小的次生α片層細化了魏氏組織顯微組織尺寸，提升材料的拉伸強度及塑性，并且疲勞裂紋在擴展至次生α片層區域時，細小的次生α片層進一步提高了裂紋擴展的曲折程度，將進一步降低da/dN。

3、本發明獲得的具有復合型片層結構的魏氏組織鈦合金，相比于普通片層結構的魏氏組織，具有復合型片層結構的魏氏組織的強度、塑性及韌性得到了同時優化，其中拉伸塑性提升較為明顯，約為30～40％。材料抗疲勞裂紋擴展能力方面，突破了僅采用提高冷速對于da/dN降低作用的極限，在低ΔK范圍內，復合型片層組織的da/dN僅是普通結構片層的50％左右，可大幅度提高了材料的使用壽命，增大了結構件的維護周期，降低了成本。