一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17GPa·%以上的热处理方法

本发明属于钛合金材料，具体涉及一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法。

背景技术：

1、钛合金因其高比强度、高耐腐蚀性、良好的生物相容性等特点，被广泛应用于航空航天、海洋工程和生物医疗器械等多个领域。在不同类型的钛合金中，亚稳β钛合金所能达到的强度水平最高，因而成为在航空领域能取代密度更高的超高强钢的理想材料。从20世纪90年代末开始，以ti-10v-2fe-3al (ti-1023)和ti-5al-5mo-5v-3cr-0.5fe (ti-5553)合金为代表的亚稳β钛合金已被用于制造波音777、空客a380、波音787等大型客机的起落架部件，实现了显著的结构减重。例如，通过用ti-1023合金取代4340m钢，每架波音777飞机的起落架减重了270公斤。

2、亚稳β钛合金需要经过固溶和时效处理才能发挥其强度优势。目前在航空领域应用的亚稳β钛合金均经过了固溶和时效处理。而固溶时效态亚稳β钛合金的强度和塑性之间存在明显的倒置关系。通常情况下，仅经过固溶处理的亚稳β钛合金呈现出高塑性，但是其强度很低；而当固溶态亚稳β钛合金经过时效处理后，其强度会显著提升，但是会伴随有塑性的大幅下降。因此，经传统固溶和时效处理的亚稳β钛合金的抗拉强度虽然已可以高达1500mpa，但此时其断裂延伸率通常低于8%，导致其强塑积普遍低于12gpa·%，极大限制了其在航空领域的应用范围。因此，优化亚稳β钛合金的强度和塑性匹配，提高其强塑积，对于航空工业的发展具有重要意义。近年来，随着航空工业领域内各类军用、民用飞机对轻量化、长寿命、高可靠性等要求的不断提高，亚稳β钛合金材料迫切需要向高强塑积方向发展。

3、值得注意的是，亚稳β钛合金的强度和塑性强烈依赖于其微观组织。其中，β晶粒尺寸和椭球状初生α相是主要的塑性控制单元，而时效过程中析出的片层状次生α相是主要的强度控制单元。由于这些微观组织特征可以通过热处理进行调控，因此，通过合理设计热处理制度，精细控制β晶粒尺寸以及初生α相和次生α相的形貌、尺寸、分布和体积分数，是提升固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积，使其同时获得高强度和高塑性的关键途径。

技术实现思路

1、考虑到固溶时效态亚稳β钛合金普遍存在强塑积偏低（低于12gpa·%）的问题，且其强度和塑性强烈依赖于其β晶粒及其初生和次生α相的组织特征，而通过合理设计热处理制度可以精细调控其β晶粒尺寸及其初生α相和次生α相的形貌、尺寸、分布和体积分数。因此，设计出合理的热处理制度以产生有利于同时获得高强度和高塑性的微观组织特征是解决现有固溶时效态亚稳β钛合金强塑积偏低问题的关键。

2、基于以上考虑，本发明针对现有固溶时效态亚稳β钛合金强塑积偏低，强度和塑性难以良好匹配的问题，提供了一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，包括以下步骤：

3、s1、将亚稳β钛合金材料加热至β转变点以下25℃~35℃进行固溶处理，随后淬火至室温；

4、s2、将步骤s1固溶处理后的亚稳β钛合金材料加热至β转变点以上55℃~115℃进行高温短时保温处理，随后淬火至室温；

5、s3、将步骤s2高温短时保温处理后的亚稳β钛合金材料加热至535℃~600℃进行时效处理，随后淬火至室温。

6、作为本发明的进一步说明，步骤s1的固溶处理温度例如可以选自β转变点以下25℃、27℃、29℃、31℃、33℃、35℃等；固溶处理的保温时间大于或等于0.5小时，例如可以选自0.5小时、0.75小时、1小时、1.5小时等，以保证β相充分再结晶以及β和α相之间达到相平衡。经过步骤s1的所述固溶处理后，所述亚稳β钛合金材料的微观组织中，β晶粒平均尺寸2.10μm~2.42μm，椭球状初生α相的体积分数不低于10%，椭球状初生α相平均长轴尺寸不低于1.2μm，椭球状初生α相平均短轴尺寸不低于0.6μm，以一方面保证β晶粒尺寸足够细小，从而获得高塑性，另一方面保证初生α相足够多和足够大，从而为后续调控溶质元素（β稳定元素/α稳定元素）的分布提供足够多的位点和足够大的区域。

7、作为本发明的进一步说明，步骤s2的高温短时保温处理的温度例如可以选自β转变点以上55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃等；高温短时保温处理的保温时间为3分钟~4分钟，例如可以选自3分钟、3.5分钟、4分钟等，以保证初生α相溶解区域维持富α稳定元素/贫β稳定元素状态。经过步骤s2的所述高温短时保温处理后，所述亚稳β钛合金材料的微观组织中，椭球状初生α相体积分数的降低幅度不低于5%，且其平均长轴尺寸不超过0.58μm，平均短轴尺寸不超过0.38μm，以保证初生α相溶解区域足够多和足够大，使得α稳定元素富集区/β稳定元素贫乏区足够多和足够大，从而为后续调控次生α相的尺寸和分布提供足够多的位点和足够大的区域。

8、作为本发明的进一步说明，步骤s3中时效处理的温度例如可以选自535℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、等；时效处理的保温时间大于或等于1小时，例如可以选自1小时、1.5小时、2小时、3小时等，以一方面保证在α稳定元素富集区/β稳定元素贫乏区析出细片层次生α相，另一方面保证在原始β基体区域（固溶处理后形成的β基体区域）内析出粗片层次生α相。经过步骤s3的所述时效处理后，在所述亚稳β钛合金材料的亚稳β相内析出体积分数为32.96%~51.86%的粗细结合的片层状次生α相，以保证不因次生α相体积分数过高而造成塑性的显著下降，同时一方面发挥细片层次生α相高效的析出强化作用，另一方面发挥粗片层次生α相塑性变形能力较强的优点，从而同时获得高强度和高塑性。

9、作为本发明的进一步说明，所述亚稳β钛合金材料的材质为ti-12mo-1al合金，该合金仅含有β稳定元素mo和α稳定元素al，成分简单，易于探究热处理制度对合金力学性能的影响。

10、作为本发明的进一步说明，所述固溶处理、高温短时保温处理、时效处理均在电阻炉内进行；更进一步的，所述固溶处理、高温短时保温处理、时效处理的保温时间均自亚稳β钛合金材料被放入电阻炉后即开始计时。

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

12、本发明通过合理设计固溶-高温短时保温-时效三重热处理的各个环节实现了对亚稳β钛合金中β晶粒尺寸以及初生和次生α相形貌、尺寸、分布和体积分数的精细调控，获得了由平均晶粒尺寸为2.10μm~2.42μm的β基体，体积分数不超过7.94%、平均长轴尺寸不超过0.58μm、平均短轴尺寸不超过0.38μm的椭球状初生α相，以及体积分数为32.96%~51.86%的粗细结合的片层状次生α相组成的多尺度微观组织，进而显著提升固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积至17gpa·%以上，并且在最佳热处理条件下可将其强塑积提升至24gpa·%以上。

13、本发明提供的热处理方法是优化固溶时效态亚稳β钛合金强度和塑性匹配的重要途径，拓宽了其组织调控的热处理设计思路，有利于拓展其在航空工业领域的应用范围，具有广阔的应用前景。

14、本技术方案的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术方案而了解。本技术方案的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

15、下面通过附图和实施例，对本技术方案的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，经过步骤s1的所述固溶处理后，所述亚稳β钛合金材料的微观组织中，β晶粒平均尺寸2.10μm~2.42μm，椭球状初生α相的体积分数不低于10%，椭球状初生α相平均长轴尺寸不低于1.2μm，椭球状初生α相平均短轴尺寸不低于0.6μm。

3.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，经过步骤s2的所述高温短时保温处理后，所述亚稳β钛合金材料的微观组织中，椭球状初生α相体积分数的降低幅度不低于5%，且其平均长轴尺寸不超过0.58μm，平均短轴尺寸不超过0.38μm。

4.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，经过步骤s3的所述时效处理后，在所述亚稳β钛合金材料的亚稳β相内析出体积分数为32.96%~51.86%的粗细结合的片层状次生α相。

5.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，所述亚稳β钛合金材料的材质为ti-12mo-1al合金。

6.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，步骤s1中所述固溶处理的保温时间大于或等于0.5小时。

7.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，步骤s2中所述高温短时保温处理的保温时间为3分钟~4分钟。

8.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，步骤s3中所述时效处理的保温时间大于或等于1小时。

9.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，所述固溶处理、高温短时保温处理、时效处理均在电阻炉内进行。

10.如权利要求1所述的一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17gpa·%以上的热处理方法，其特征在于，所述固溶处理、高温短时保温处理、时效处理的保温时间均自亚稳β钛合金材料被放入电阻炉后即开始计时。

技术总结
本发明提供了一种将固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积提升至17GPa·%以上的热处理方法，包括以下步骤：首先将亚稳β钛合金材料在β转变点以下25℃~35℃进行固溶处理；随后将该亚稳β钛合金材料加热至β转变点以上55℃~115℃进行高温短时保温处理；最后将该亚稳β钛合金材料加热至535℃~600℃进行时效处理。本发明通过三重热处理对亚稳β钛合金的微观组织进行调控，得到由平均晶粒尺寸为2.10μm~2.42μm的β基体，体积分数不超过7.94%、平均长轴尺寸不超过0.58μm、平均短轴尺寸不超过0.38μm的椭球状初生α相，以及体积分数为32.96%~51.86%的粗细结合的片层状次生α相组成的多尺度微观组织，进而显著提升固溶时效态亚稳β钛合金的强塑积至17GPa·%以上，并且在最佳热处理条件下可将其强塑积提升至24GPa·%以上。

技术研发人员：赖敏杰,景家瑞,陈初阳,李金山
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23