一种提高TC4-DT钛合金棒材两相区断裂韧性的方法与流程

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种提高tc4-dt钛合金棒材两相区断裂韧性的方法。

背景技术：

航空航天工业的发展必须依靠先进材料的推动，近年来随着断裂力学和损伤容限理论的发展，飞机构件的设计准则发生改变，目前高损伤容限钛合金成为钛合金的一个重要研究领域，其中断裂韧性是材料损伤容限的表征之一。钛合金由于具有一系列的优点成为航空航天应用的首选材料。众多研究表明，钛合金片层结构具有好的损伤容限性能。因此，β锻造或β热处理工艺通常被作为高损伤容限性能的加工方法，但片层组织由于具有粗大的晶粒使合金的塑性下降。实验表明，β晶粒内部片层厚度和晶团尺寸会影响合金的损伤容限性能，片层厚度增大会导致裂纹在扩展过程中偏转方向，晶团尺寸及位向改变也会导致裂纹的偏转，裂纹在扩展过程中的偏转会消耗更多能量，因此导致了高的断裂韧性和低的裂纹扩展速率。

为了获得高的损伤容限性能，传统的tc4-dt钛合金的热处理方法主要是将试样在β相区进行固溶处理，通过获得的片层组织来提高合金的断裂韧性，但粗大的片层组织会导致拉伸塑性的明显降低，造成材料塑性的损失。某发动机叶片对所使用的tc4-dt合金性能提出了更高的要求，要求合金组织为等轴组织，且断裂韧性要求在80mpa.m^1/2以上，这对合金的组织与性能匹配提出了更高的要求。因此如何通过调整tc4-dt钛合金显微组织，实现材料在强度、塑性不损失的情况下提高tc4-dt钛合金的断裂韧性，从而达到tc4-dt钛合金强度-塑性-韧性的良好匹配，已成为tc4-dt钛合金加工关键技术的重要组成部分。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提高tc4-dt钛合金棒材两相区断裂韧性的方法。该方法将tc4-dt钛合金棒材在两相区进行固溶后炉冷再进行时效处理，使初生α相含量减少，次生α相的含量增多且组织粗化，裂纹在扩展过程中遇到较厚的片层α相改变扩展路径，同时消耗更多的能量，从而提高了tc4-dt钛合金棒材的两相区的断裂韧性，最终实现了tc4-dt钛合金棒材强度、塑性、断裂韧性的良好匹配，满足材料应用的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高tc4-dt钛合金棒材两相区断裂韧性的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为(tβ-80)℃～(tβ-20)℃的条件下保温1h～2h后炉冷，然后在温度为500℃～600℃的条件下保温4h～8h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tβ为tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度，tβ的单位为℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度在两相区温度内。

上述的一种提高tc4-dt钛合金棒材两相区断裂韧性的方法，其特征在于，所述tc4-dt钛合金棒材在温度为(tβ-70)℃～(tβ-30)℃的条件下保温1h～2h后炉冷，然后在温度为520℃～580℃的条件下保温5h～8h后空冷。

上述的一种提高tc4-dt钛合金棒材两相区断裂韧性的方法，其特征在于，所述tc4-dt钛合金棒材在温度为(tβ-60)℃～(tβ-40)℃的条件下保温1h～2h后炉冷，然后在温度为540℃～560℃的条件下保温6h～8h后空冷。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用两步热处理工艺，第一步首先将tc4-dt钛合金棒材在其β相变点温度以下20～80℃的条件下保温1h～2h，得到具有一定初生α相含量的等轴组织，在保证合金强度的同时获得高的塑性，然后采用炉冷处理延长了保温时间，使部分初生α相溶解，导致初生α相含量减少，次生α相的含量增多且组织粗化，裂纹在扩展过程中遇到较厚的片层α相改变扩展路径，同时消耗更多的能量，因此提高了tc4-dt钛合金棒材的断裂韧性，同时等轴组织中的次生α相的产生也有利于tc4-dt钛合金棒材的塑性的提高；第二步接着将tc4-dt钛合金棒材进行空冷时效处理，进一步稳定了tc4-dt钛合金棒材的组织并强化了tc4-dt钛合金棒材的性能，最终实现了tc4-dt钛合金棒材强度、塑性、断裂韧性的良好匹配。

2、本发明限定经锻造得到的tc4-dt钛合金棒材的锻造的终火次温度在两相区温度内，以保证tc4-dt钛合金棒材原始组织属于等轴组织状态，在后期两相区的热处理过程中组织的调控范围为等轴区域。

3、本发明选择在两相区进行固溶后炉冷再进行时效处理，主要是为了保证合金在具备一定强度的同时兼备高的塑性，炉冷的目的一方面增加次生α相的含量，同时保证了次生相具有一定的长宽比，作为裂纹扩展路径的障碍提高断裂韧性，还可以在保证强度的条件下提高tc4-dt钛合金塑性，进一步达到tc4-dt钛合金强度-塑性-韧性的良好匹配，满足材料应用的需求。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图。

图2是本发明对比例1经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图。

图3是本发明对比例2经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为900℃的条件下保温2h后炉冷，然后在温度为540℃的条件下保温6h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为940℃。

图1是本实施例经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图，从图1可以看出本实施例经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的组织中含有60％以上的等轴α相含量及一定的次生α相，并且由于炉冷条件下保温时间长，次生α相的含量和厚度增加，为裂纹的扩展增加了障碍。

对比例1

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为900℃的条件下保温2h后进行第一次空冷，然后在温度为540℃的条件下保温6h后进行第二次空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为940℃。

图2是本对比例经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图，从图2可以看出本对比例经第二次空冷后的tc4-dt钛合金棒材的组织为典型的等轴组织的特征，主要表现为等轴α相+β转变组织。

将对比例1与实施例1进行比较可以看出，固溶后进行炉冷得到的tc4-dt钛合金棒材的组织表现出了次生α相含量的增多和尺寸的增加，而条状的次生α相为高的断裂韧性提供了保障。

对比例2

本对比例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为1000℃的条件下保温2h后进行第一次空冷，然后在温度为540℃的条件下保温4h后进行第二次空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为940℃。

图3是本对比例经热处理后的tc4-dt钛合金棒材的金相组织图，从图3可以看出本对比例在相变点以上温度对tc4-dt钛合金棒材进行处理，经第二次空冷后的tc4-dt钛合金棒材的组织为典型的魏氏组织，粗大的β晶粒在变形过程中的难以协调导致了tc4-dt钛合金棒材的塑性较低。

将对比例2与实施例1进行比较可以看出，在相变点以下温度对tc4-dt钛合金棒材进行热处理提高了组织中等轴α相含量和次生α相的含量，从而提高了tc4-dt钛合金棒材的断裂韧性。

实施例2

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为930℃的条件下保温1.5h后炉冷，然后在温度为550℃的条件下保温8h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为940℃。

实施例3

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为920℃的条件下保温1h后炉冷，然后在温度为560℃的条件下保温6h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为930℃。

实施例4

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为950℃的条件下保温1h后炉冷，然后在温度为550℃的条件下保温6h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为940℃。

实施例5

本实施例的具体过程为：将tc4-dt钛合金棒材在温度为960℃的条件下保温1h后炉冷，然后在温度为600℃的条件下保温4h后空冷，得到热处理后的tc4-dt钛合金棒材；所述tc4-dt钛合金棒材的β相转变温度为980℃；所述tc4-dt钛合金棒材经锻造得到，所述锻造的终火次温度为930℃。

将实施例1～实施例5和对比例1～对比例2得到的热处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能进行检测，结果见下表1。

表1实施例1～实施例5和对比例1～对比例2得到的热处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能

从表1可以看出，将采用本发明方法得到的热处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能特别是实施例1处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能与对比例1中采用常规两相区处理后的tc4-dt钛合金棒材性能相比，在强度变化不大的情况下，tc4-dt钛合金棒材的塑性和断裂韧性得到了明显提高；将采用本发明方法处理后的tc4-dt钛合金棒材特别是实施例1处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能与对比例2中采用β相区热处理后的tc4-dt钛合金棒材的性能相比，本发明处理后的tc4-dt钛合金棒材虽然强度略有降低，但塑性和断裂韧性都得到明显的改善，因此采用本发明对tc4-dt钛合金棒材进行热处理，可获得材料强度、塑性、断裂韧性的良好匹配。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。