一种TC18钛合金的热处理方法

技术领域

本发明涉及一种TC18钛合金的热处理方法，属金属材料热处理技术领域。

背景技术

TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (wt. %, Ti-55511)，是在1970年代开发的一种高强度近β型钛合金。TC18钛合金因其高比强度、优异的抗疲劳性能，被广泛应用于船舶、汽车工业、体育和航空航天等领域。

TC18钛合金经过加工和热处理后，通过控制微观组织的变化，可以显著改变其力学性能。TC18钛合金的显微组织主要由α相和β相组成，其中α相作为主要强化相，其形貌、含量和尺寸对合金的力学性能有着极为重要的影响。例如等轴状α相和条状的含量和尺寸会影响合金塑性，含量和尺寸越大则合金塑性越好；细针状α相含量越大则会导致合金强度大幅提高。因此，制定合适的热处理工艺来控制α相的形貌、含量和尺寸等微观特征，使TC18钛合金获得满足要求的优良力学性能，对TC18钛合金的广泛使用具有重要意义。

传统的TC18钛合金常用的热处理工艺为固溶-单级时效。一般过程为单相（β相转变温度T

专利CN201410136849.1公开了一种TC18钛合金的固溶-单级时效热处理方法，将TC18 钛合金在T

发明内容

针对现有技术所得TC18钛合金强度不高，为了得到抗拉强度大于1415MPa的TC18钛合金，本发明提出一种新的TC18钛合金固溶-双级时效热处理工艺。本发明处理后的TC18钛合金，不仅可以进一步提高强度，而且保证了合金塑性和韧性满足特种钛合金的使用要求。

本发明一种TC18钛合金的热处理方法，包括下述步骤：

第一步：单相固溶热处理：将TC18钛合金加热至β相转变温度T

第二步：一级时效热处理：将第一步冷却后得到的合金以10℃/min加热至550℃～600℃，保温6~8h 后，水冷至室温。

第三步：二级时效热处理：将第二步冷却后得到的合金以10℃/min加热至300℃～450℃，保温2～4h后，水冷至室温。

本发明一种TC18钛合金的热处理工艺，所述TC18钛合金的名义成分为：Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（wt. %）。

作为优选，第一步中，将TC18钛合金加热至β相转变温度T

作为优选，第二步中，将合金棒材加热至560~600℃保温6~8h，然后水冷至室温。

作为优选，第三步中，将合金棒材加热至395~405℃保温3~4h。

在本发明中，为了得到抗拉强度大于1450MPa的TC18钛合金，可采用下述工艺：

第一步中，将TC18钛合金加热至β相转变温度T

第二步中，将合金棒材加热至595~600℃保温8h，然后水冷至室温。

第三步中，将合金棒材加热至395~405℃保温4h。在这一方案中，所得产品的抗拉强度可以达到1450~1475MPa、屈服强度可以达到1420~1459MPa。该产品的强度无论是抗拉强度还是屈服强度均远远优于现有技术所得产品。

在本发明中，为了得到抗拉强度大于1415MPa、且伸长率大于等于4.6%的TC18钛钛合金，采用下述工艺：

第一步，将TC18钛合金加热至β相转变温度T

第二步，将合金棒材加热至560~565℃保温6h，然后水冷至室温。

第三步，将合金棒材加热至395~405℃保温3h。在这一方案中，所得产品的抗拉强度可以达到1400~1441MPa、屈服强度可以达到1380~1414MPa。而且产品伸长率还比较高。

在本发明中，为了进一步提升产品的抗拉强度，可以选择下述方案：

第一步，将TC18钛合金加热至950℃保温1h固溶后，水冷至室温；其中TC18钛合金的β相转变温度为875±5℃；

第二步一级时效：将合金棒材加热至580℃保温7h，然后水冷至室温，

第三步二级时效：将合金棒材加热至400℃保温4h，然后水冷至室温。在这一方案中所得产品的抗拉强度首次突破到1500MPa，但产品的平均伸长率仅为3.0%。

本发明一种TC18钛合金的热处理工艺，固溶热处理和时效热处理后水冷至室温；优选以5～15 ℃/s的冷却速度冷却至室温。

本发明第一步固溶热处理保温后快速水冷却至室温，处理后显微组织为粗大的等轴状β相结构。

本发明第二步一级时效热处理保温后快速水冷却至室温，处理后的TC18钛合金显微组织为粗大的等轴β相晶粒和层片状的晶内α相。

本发明第三步二级时效热处理保温后以快速水冷却至室温，处理后的TC18钛合金显微组织包括等轴的α相，条状α相、针状的晶内α相和残余β基体。

与现有工艺相比，本发明的时效过程为双级时效，先选用稍高的时效温度进行一级时效和水冷，然后在较低的温度下进行二级时效。这种热处理工艺不仅能保证微观结构含有等轴状α相和条状α相，而且能得到许多均匀分布的针状α相，使得TC18钛合金获得更高强度的同时，也具有良好的塑性。

本发明在进行单相固溶热处理时，控制加热温度为β相转变温度T

综上所述，本发明热处理工艺简单，处理后的TC18钛合金强度高，塑性也较好，可以作为提高合金强度的有效手段。通过实施例和对比例以及表1的数据对比可以看出，本发明一种TC18钛合金热处理工艺可以在保证较好的塑性的前提下，进一步提升了TC18钛合金的强度，其工艺明显优于传统固溶单级时效工艺。

附图说明

附图1为本发明实施例1双级时效处理后的TC18钛合金的显微形貌图。

附图2为本发明实施例2双级时效处理后的TC18钛合金的显微形貌图。

附图3为实施例1固溶水冷后的微观组织形貌。

附图4为实施例1一级时效处理后的TC18钛合金显微组织形貌图。

图1中，1为α相，2为β基体相；从图1 可以看出：等轴α相均匀分布、尺寸为3～9μm，条状α相厚度约1μm，细针α相长度为1～2μm。

图2中，1为α相，2为β基体相；从图2可以看出：等轴α相均匀分布、尺寸为1～3μm，条状α相厚度约0.5～1μm，细针α相长度为2～3μm。

从图3可以看出TC18合金950℃保温1h固溶水冷后的微观组织形貌，在图3中，固熔后所得产物为β相，其晶粒尺寸在200-500μm之间。

图4中，1为α相，2所为β基体相，从图4可以看出一级时效热处理后存在粗大的等轴β相晶粒和层片状的晶界晶内α相。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

在本发明实施例和对比例中，水冷的速度均为10℃/s。

实施例1：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工试样。测定试样的β相转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h固溶后，水冷至室温；第二步一级时效：将合金棒材加热至600℃保温8h，然后水冷至室温，第三步二级时效：将合金棒材加热至400℃保温4h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。本实施例处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。实施例1所得产品的平均抗拉强度为1465MPa（最大值可达1475MPa）、平均屈服强度1444MPa（最大可达1459MPa）。

实施例2：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β 转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至600℃保温8h，然后水冷至室温，第三步将合金棒材加热至440℃保温4h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。

实施例2处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。所得产品的平均抗拉强度为1420MPa、平均屈服强度1395MPa。

实施例3：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工态试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β 转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至560℃保温6h，然后水冷至室温，第三步将合金棒材加热至400℃保温3h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。

实施例3处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。所得产品的平均抗拉强度为1430MPa（最大值可达1440MPa）、平均屈服强度1398.98MPa（最大可达1414MPa）。

实施例4：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工态试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β 转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至1000℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至560℃保温6h，然后水冷至室温，第三步将合金棒材加热至440℃保温3h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。

实施例4处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

实施例5：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工试样。测定试样的β相转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h固溶后，水冷至室温；第二步一级时效：将合金棒材加热至580℃保温7h，然后水冷至室温，第三步二级时效：将合金棒材加热至450℃保温2h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。本实施例处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

实施例6：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工试样。测定试样的β相转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h固溶后，水冷至室温；第二步一级时效：将合金棒材加热至580℃保温7h，然后水冷至室温，第三步二级时效：将合金棒材加热至400℃保温4h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。本实施例处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

实施例7：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工试样。测定试样的β相转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h固溶后，水冷至室温；第二步一级时效：将合金棒材加热至600℃保温8h，然后水冷至室温，第三步二级时效：将合金棒材加热至450℃保温2h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。本实施例处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

对比例1：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金锻造态试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β相转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至950℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至600℃保温12h，单级时效然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。对比例1热处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

对比例2：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工态试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β 转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至925℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至560℃保温6h，然后水冷至室温，第三步将合金棒材加热至400℃保温3h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。

对比例2处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

对比例3：

采用长26mm，标距为8mm的TC18钛合金加工态试样。

测定TC18钛合金锻造态试样的β 转变温度为875±5℃。第一步将合金加热至1025℃保温1h后，水冷至室温；第二步将合金棒材加热至560℃保温6h，然后水冷至室温，第三步将合金棒材加热至400℃保温3h，然后水冷至室温。

热处理后的TC18钛合金试样预磨抛光侵蚀后，微观形貌采用电子扫描显微镜观察，力学性能采用万能试验机测试。

对比例3处理后的TC18钛合金室温力学性能参数见表1。

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实施例和对比例所得热处理后的TC18钛合金的室温力学性能参数如表1所示。