一种TC21钛合金及其强度调控的热处理方法与流程

一种tc21钛合金及其强度调控的热处理方法
技术领域
1.本发明涉及一种tc21钛合金的热处理方法，具体涉及一种tc21钛合金及其强度调控的热处理方法。


背景技术：

2.基于高强高韧钛合金锻件在航空领域的广泛应用，批产锻件性能的稳定性、可控性、均匀性需求越来越显著。为了获得满足用户需求的高品质锻件，需研究对锻件性能调控起关键作用的热处理过程，特别是对具有强变截面的钛合金锻件的热处理控制技术开展研究，揭示不同热变形、热处理参数下微观组织的形成机理和对锻件力学性能的影响规律，最终通过对固溶温度与时效温度的控制实现对锻件性能调控。
3.现有技术采用多种强化手段，提高钛合金的强度。如采用合金化的方法，添加mo、cr、v、ta、mn、fe、al等元素，调整元素含量配比，利用合金元素的固溶强化及其对钛合金相变的影响，使钛合金强度提高；如采用固溶+时效处理，产生第二相析出，可强化钛合金材料；再如利用形变复合热处理工艺，使形变和热处理发生耦合，调控钛合金组织状态，改变不同物相的含量、形态、尺寸、分布等。
4.但是现有技术在提高钛合金强度时，抗拉强度和屈服强度的总体变化规律有差别，难以精准地调控tc21钛合金的屈服强度与抗拉强度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种tc21钛合金及其强度调控的热处理方法，解决了现有技术难以精准地调控tc21钛合金的屈服强度与抗拉强度的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种调控tc21钛合金强度的热处理方法，该方法包含：
7.(1)通过拟合公式精准调控tc21钛合金的屈服强度和抗拉强度，设置固溶温度t1、时效温度t2的值，拟合公式如下：
8.f(r
p0.2
)＝(0.72457
×
t
1-0.37816
×
t2+754.78066)；
9.f(rm)＝(0.84293
×
t
1-0.76184
×
t2+978.45263)；
10.其中，f(r
p0.2
)为拟合屈服强度，f(rm)为拟合抗拉强度；所述t
β
为945955℃，所述t1为(t
β-70℃)(t
β-30℃)，所述t2为(t
β-450℃)(t
β-300℃)，其中，所述t
β
为β相转变温度，所述t
β
为950
±
5℃；
11.(2)固溶处理：将tc21钛合金在t1的温度下保温后空冷至室温，得到试样；
12.固溶处理的目的是为了获得亚稳β相，为时效处理后亚稳β相的分解而产生的弥散强化做准备。钛合金的固溶热处理主要影响初生α的比例和尺寸，同时，固溶温度变化也将引起α和β相的元素浓度变化，进而对时效热处理中次生α的数目和尺寸产生影响。而合金的力学性能由以上显微结构的数目及尺寸决定，其中尺寸较大的初生α相能够承担较大的塑性变形，可以用来改善合金的塑性，而次生α的析出则主要用来提高合金强度。
13.(3)时效处理：将步骤(2)得到的试样在t2的温度下保温后空冷至室温，得到调控后的tc21钛合金。
14.时效处理使上一阶段固溶处理得到的亚稳β相充分分解。时效处理后的钛合金力学性能与时效温度和时效时间有关。钛合金在相转变温度t
β
以下热处理时，随着热处理温度的升高，合金的屈服强度升高，塑性和断面收缩率下降，这说明初生α相质点的数量对合金的塑性有一定的影响，初生α相的增多有利于塑性的增加，次生α相的减小对屈服强度的升高有贡献；钛合金在转变温度t
β
以上热处理后空冷得到的是针状组织，对于强度有利，但对塑性不利。
15.优选地，在步骤(1)中，所述t
β
为950℃。所述t
β
为950℃时，t1为880 920℃，t2为500 650℃。
16.优选地，在步骤(1)中，所述t1为t
β-50℃。
17.优选地，在步骤(1)中，所述t2为t
β-360℃。
18.优选地，在步骤(2)中，所述保温的时间为2h。固溶的时间应当使得合金元素能够在β相内部进行充分的扩散。
19.优选地，在步骤(3)中，所述保温的时间为4h。
20.本发明还提供了一种所述的方法制得的调控后的tc21钛合金。
21.本发明的一种tc21钛合金及其强度调控的热处理方法，解决了现有技术难以精准地调控tc21钛合金的屈服强度与抗拉强度的技术问题，具有以下优点：
22.1、本发明发现tc21钛合金的强度受固溶温度与时效温度的影响，通过非线性曲面拟合，拟合出强度与温度的函数关系，通过选择合适的固溶与时效温度，准确地调控锻态tc21钛合金的屈服强度与抗拉强度。
23.2、本发明tc21钛合金的抗拉强度与其拟合抗拉强度的误差和屈服强度与其拟合屈服强度的误差均小于3.2％。
24.3、本发明的热处理方法不会额外增加热处理成本，具有操作简单、易于控制、实用性强等特点。
附图说明
25.图1为本发明实施例1中经900℃固溶2h+550℃时效4h制得的tc21钛合金图。
26.图2为本发明实施例1中经920℃固溶2h+590℃时效4h制得的tc21钛合金图。
27.图3为本发明实施例3中经880℃固溶2h+500℃时效4h制得的tc21钛合金图。
28.图4为本发明实施例4中经900℃固溶2h+500℃时效4h制得的tc21钛合金图。
具体实施方式
29.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.一种调控tc21钛合金强度的热处理方法，包括如下步骤：
32.(1)取尺寸为16
×
16
×
80mm，β转变温度t
β
约为950
±
5℃的锻态tc21钛合金；
33.(2)通过拟合公式精准调控钛合金的强度，具体的拟合公式关系如下：
34.f(rp0.2)＝(0.72457
×
t
1-0.37816
×
t2+754.78066)；
35.f(rm)＝(0.84293
×
t
1-0.76184
×
t2+978.45263)；
36.其中，t1与t2的取值范围：t
β-70℃≤t1≤t
β-30℃、t
β-450℃≤t2≤t
β-300℃；f(r
p0.2
)为拟合屈服强度，f(rm)为拟合抗拉强度；
37.进一步设置固溶温度t1为t
β-50℃(900℃)、时效温度t2为t
β-400℃(550℃)，将t1、t2代入公式得知，f(r
p0.2
)为1198.91mpa，f(rm)为1318.08mpa；
38.(3)使用箱式电阻炉将锻态tc21钛合金在t1下进行固溶2h，固溶完成后出炉空冷至室温，得到冷却后的试样；其中t1为固溶温度900℃；
39.(4)使用箱式电阻炉将冷却后的试样加热至t2，进行时效处理4h，时效完成后出炉空冷至室温，得到锻件；其中t2为时效温度550℃；
40.(5)在万能力学试验机上验证锻件的力学性能，每项验证测试至少选择两个及以上的锻件，提高测试的准确性，结果详见图1。
41.如图1所示，本发明实施例1中经900℃固溶2h+550℃时效4h制得的tc21钛合金图，其中(a)为高倍金相显微组织图片；(b)为拉伸工程应力-应变曲线。由图1的(a)可看出锻态tc21钛合金经过900℃/2h+550℃/4h处理后样品呈现双态组织，由等轴α相与残余β相组成，等轴相分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其力学性能，拉伸工程应力-应变曲线如图1的(b)所示，测得其屈服强度为1177.3mpa，抗拉强度为1294.7mpa。在步骤(2)中的拟合公式计算得知拟合屈服强度为1198.91mpa，拟合抗拉强度为1318.08mpa。对比拟合结果和验证结果得知，拟合屈服强度的误差为1.84％，拟合抗拉强度的误差为1.81％，说明拟合程度较高，对屈服强度与抗拉强度的预测较为精准。
42.实施例2
43.一种调控tc21钛合金强度的热处理方法与实施例1基本相同，区别在于：
44.(2)设置固溶温度t1为t
β-30℃(920℃)、时效温度t2为t
β-360℃(590℃)，将t1、t2代入公式得知，f(r
p0.2
)为1198.27mpa，f(rm)为1304.46mpa；
45.(3)t1为920℃；
46.(4)t2为590℃。
47.如图2所示，本发明实施例2中经920℃固溶2h+590℃时效4h制得的tc21钛合金图，其中(a)为高倍金相显微组织图片；(b)为拉伸工程应力-应变曲线。由图2的(a)可看出锻态tc21钛合金经过920℃/2h+590℃/4h后，样品呈现双态组织，由等轴α相与残余β相组成，等轴相分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其力学性能，拉伸工程应力-应变曲线如图2的(b)所示，测得其屈服强度为1237.7mpa，抗拉强度为1322mpa；在步骤(2)中的拟合公式计算得知拟合屈服强度为1198.27mpa，拟合抗拉强度为1304.46mpa。对比拟合结果和验证结果得知，拟合屈服强度的误差为3.19％，拟合抗拉强度的误差为1.33％，说明拟合程度较高，对屈服强度与抗拉强度的预测较为精准。
48.实施例3
49.一种调控tc21钛合金强度的热处理方法与实施例1基本相同，区别在于：
50.(2)设置固溶温度t1为t
β-70℃(880℃)、时效温度t2为t
β-450℃(500℃)，将t1、t2代
入公式得知，f(r
p0.2
)为1203.32mpa，f(rm)为1339.31mpa；
51.(3)t1为880℃；
52.(4)t2为500℃。
53.如图3所示，本发明实施例3中经880℃固溶2h+500℃时效4h制得的tc21钛合金图，其中(a)为高倍金相显微组织图片；(b)为拉伸工程应力-应变曲线。由图3的(a)可看出锻态tc21钛合金经过880℃/2h+500℃/4h后，样品呈现双态组织，由等轴α相与残余β相组成，等轴相分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其力学性能，拉伸工程应力-应变曲线如图3的(b)所示，测得其屈服强度为1168.0mpa，抗拉强度为1335.0mpa；在步骤(2)中的拟合公式计算得知拟合屈服强度为1203.32mpa，拟合抗拉强度为1339.31mpa。对比拟合结果和验证结果得知，拟合屈服强度的误差为3.02％，拟合抗拉强度的误差为0.32％，说明拟合程度较高，对屈服强度与抗拉强度的预测较为精准。
54.实施例4
55.一种调控tc21钛合金强度的热处理方法与实施例1基本相同，区别在于：
56.(2)设置固溶温度t1为t
β-50℃(900℃)、时效温度t2为t
β-450℃(500℃)，将t1、t2代入公式得知，f(rp0.2)为1217.81mpa，f(rm)为1356.17mpa；
57.(3)t1为900℃；
58.(4)t2为500℃。
59.如图4所示，本发明实施例4中经900℃固溶2h+500℃时效4h制得的tc21钛合金图，其中(a)为高倍金相显微组织图片；(b)为拉伸工程应力-应变曲线。由图4的(a)可看出锻态tc21钛合金经过900℃/2h+500℃/4h后，样品呈现双态组织，由等轴α相与残余β相组成，等轴相分布均匀，通过万能拉伸试验机测量其力学性能，拉伸工程应力-应变曲线如图4的(b)所示，测得其屈服强度为1180.0mpa，抗拉强度为1316.0mpa；在步骤(2)中的拟合公式计算得知拟合屈服强度为1217.81mpa，拟合抗拉强度为1356.17mpa。对比拟合结果和验证结果得知，拟合屈服强度的误差为3.2％，拟合抗拉强度的误差为3.05％，说明拟合程度较高，对屈服强度与抗拉强度的预测较为精准。
60.结合实施例14得知，通过改变热处理的固溶温度与时效温度可以改变锻态tc21钛合金的显微组织，进而改变其力学性能。通过上述测试数据与拟合公式的计算结果对比可以看出，拟合公式的拟合程度较好，误差均小于3.2％。
61.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种调控tc21钛合金强度的热处理方法，其特征在于，该方法包含：(1)通过拟合公式调控tc21钛合金的屈服强度和抗拉强度，设置固溶温度t1、时效温度t2的值，拟合公式如下：f(r
p0.2
)＝(0.72457
×
t
1-0.37816
×
t2+754.78066)；f(r
m
)＝(0.84293
×
t
1-0.76184
×
t2+978.45263)；其中，f(r
p0.2
)为拟合屈服强度，f(r
m
)为拟合抗拉强度；所述t1为(t
β-70℃)(t
β-30℃)，所述t2为(t
β-450℃)(t
β-300℃)，其中，所述t
β
为β相转变温度，所述t
β
为950
±
5℃；(2)固溶处理：将tc21钛合金在t1的温度下保温后空冷至室温，得到试样；(3)时效处理：将步骤(2)得到的试样在t2的温度下保温后空冷至室温，得到调控后的tc21钛合金。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述t
β
为950
±
5℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述t1为t
β-50℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述t2为t
β-360℃。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述保温的时间为2h。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述保温的时间为4h。7.一种如权利要求1-6任一项所述的方法制得的调控后的tc21钛合金。

技术总结
本发明公开了一种TC21钛合金及其强度调控的热处理方法，该方法包含：通过拟合公式调控TC21钛合金的屈服强度和抗拉强度，设置T1、T2的值；固溶处理：将TC21钛合金在T1的温度下保温后空冷至室温，得到试样；时效处理：将得到的试样在T2的温度下保温后空冷至室温，得到调控后的TC21钛合金。本发明解决了现有技术难以精准地调控TC21钛合金的屈服强度与抗拉强度的技术问题。本发明拟合出强度与温度的函数关系，通过选择合适的固溶与时效温度，准确地调控锻态TC21钛合金的屈服强度与抗拉强度。本发明TC21钛合金的抗拉强度与其拟合抗拉强度的误差和屈服强度与其拟合屈服强度的误差均小于3.2％。于3.2％。于3.2％。


技术研发人员：王杰 何睿 尹慧 罗恒军
受保护的技术使用者：中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/9/14