[發明專利]一種制備近α型高溫鈦合金層狀組織結構的熱加工及熱處理工藝

有效

• 申請號: 202010516338.8
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111500959B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 李伯龍;王聰聰;王同波;亓鵬;聶祚仁
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C22F1/18
• 分類號: C22F1/18;C22C14/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種制備近α型高溫鈦合金層狀組織結構的熱加工及熱處理工藝，屬于鈦合金制備技術領域。首先將經兩相區鍛造的高溫鈦合金在低于其β/(α+β)相轉變點以下30～35℃范圍內保溫55～65min后空冷，得到等軸組織；然后在低于其β/(α+β)相轉變點以下15～20℃范圍內保溫55～65min，并直接進行熱軋；隨后在其β/(α+β)相轉變點以下85～90℃范圍內保溫10～15min并直接進行熱軋，獲得具有α_p/α_s微納層狀組織結構的高溫鈦合金板材，再進行穩定化和時效熱處理。本發明不僅大大提高了高溫鈦合金的拉伸性能，使合金的抗拉強度(σ_b)和屈服強度(σ_0.2)均得到提高，而且其延伸率(δ)略有升高。

技術領域

本發明屬于鈦合金制備技術領域(一種形變與相變控制的熱機械變形領域)，具體涉及一種制備微納層狀結構的高溫鈦合金板材及其熱加工及熱處理工藝，微納層狀組織結構的高溫鈦合金板材具有優異綜合性能，在航空航天領域將有重要的應用。

背景技術

隨著高推重比航空發動機對新型輕質耐高溫結構材料的要求越來越高，對耐更高溫度的新型高溫鈦合金的研發及先進的成形工藝的開發提出了迫切要求。高溫鈦合金的服役溫度從300℃提高到650℃，其服役溫度和性能的提升多以提高合金化程度為主要手段，這勢必會造成服役條件下組織穩定性的降低。因此，進一步提高高溫鈦合金的使用溫度主要受到服役條件下組織穩定性的限制。在以保證合金熱穩定性為原則設計高溫鈦合金的條件下，微觀組織調控成為提高其在更高溫度下的服役性能的最為有效的手段。

綜合α相形貌特征及其與性能的關系，將鈦合金典型組織分為魏氏組織、網籃組織、等軸組織及雙態組織。其中魏氏組織具有較高的蠕變抗力、持久強度和斷裂韌性，但其塑性很差；網籃組織塑性、蠕變抗力及高溫特性等綜合性能較好，但疲勞性能較差；等軸組織具有較高的塑性，但其蠕變抗力較低；雙態組織具有較高的疲勞強度和塑性，但蠕變抗力提高不大。對于典型的600℃高溫鈦合金而言，以優化合金的疲勞性能為主要目標，設計IMI834并建議合金采用雙態組織；而以增強高溫鈦合金高溫蠕變性能為主要目標，設計出Ti1100并建議合金采用層片組織。然而，兼具室溫和高溫強韌性、熱穩定性、高溫蠕變性能及疲勞性能的組織模式尚在研究之中。本發明專利提供一種有潛力的高溫鈦合金的新型組織結構，即一種α_p/α_s微納層狀結構，其特點是，結合熱變形加工與相變熱處理工藝，制備出納米尺寸的層片狀α_s相結構與微米尺寸的層片狀α_p相結構，且α_s和α_p交替層狀排布。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備近α型高溫鈦合金層狀組織結構的熱加工及熱處理工藝，該高溫鈦合金組成元素按質量百分比為，Al:6.0-6.2％,Sn:3.0-3.3％,Zr:2.3-2.5％,Hf:0.5-0.6％,Mo:0.5-0.6％，Nb:0.8-1.0％,Ta:0.9-1.0％,Si:0.4-0.5％,Er:0.1-0.3％,剩余為Ti。本發明制備的α_p/α_s層狀微納結構的高溫鈦合金板材，突破鈦合金傳統的微觀組織模式，具有優異的綜合力學性能，從而提高高溫鈦合金的服役性能。

本發明所提供的一種制備近α型高溫鈦合金層狀組織結構的熱加工方法，具體包括以下步驟：

步驟一

采用常規鑄造方法獲得高溫鈦合金鑄錠，將該鑄錠在其β/(α+β)相轉變點以上140～155℃的β單相區開坯鍛造，隨后在其β/(α+β)相轉變點以下25～35℃的(α+β)兩相區鍛造獲得棒材，將該棒材進行熱處理，熱處理溫度為該高溫鈦合金β/(α+β)相轉變點以下30～35℃范圍內，保溫時間為55～65分鐘，保溫結束后以空冷方式冷卻至室溫得到等軸組織。

本步驟對經過兩相區開坯鍛造的高溫鈦合金進行靜態球化處理，防止鍛造過程中形成的組織及微取向對后續組織調控造成遺傳影響。

步驟二