[发明专利]一种TC18钛合金的热处理方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种TC18钛合金热处理方法，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-5V-5Mo-1Cr-1Fe，属于近β型钛合金，具有塑性变形性好、淬透性深、强度高（σ_b≥1100MPa）、断裂韧性高（K_1C≥50MPa·m^1/2）等优点，适合制造高负载承力的航空结构件，在航空航天领域受到广泛关注。近年来，TC18钛合金因其优越的性能，在船舶、海水淡化、汽车工业、体育等领域的应用逐渐增多。

热处理对TC18钛合金显微组织和力学性能的调控具有重要作用。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α相含量越高、尺寸越大，合金塑性越好；较高含量的细针α相有利于大幅提高合金强度；粗片α相含量和厚度的增加有利于提高合金断裂韧性等。因此，制定合适的热处理工艺，调控不同形貌α相的含量和尺寸等微观特征，使产品获得满足使用要求的力学性能，在TC18合金的生产过程中具有重要作用。

目前TC18钛合金常用的热处理工艺有双重退火和固溶-时效两种。双重退火由俄罗斯OCT1规范推荐，其一般过程为：820～850℃保温1～3h→随炉冷却至740～760℃保温1～3h→空冷→500～650℃保温2～6h→空冷。双重退火后的TC18合金显微组织主要由等轴α、粗片α和β基体组成，合金具有优良的塑性（δ≥14%）和断裂韧性（K_1C≥70MPa·m^1/2），在工业生产上得到了广泛的应用。然而，双重退火过程包括三次保温阶段，尤其第一次保温后采用了炉冷，整个工艺过程较长，且在工艺控制的准确性、一致性方面较难保证；特别是双重退火后合金显微组织中的细针α相含量较低，导致抗拉强度和屈服强度普遍低于1200MPa，难以满足更高强度的使用要求。因此，近年来固溶-时效工艺越来越受到关注。

固溶-时效一般过程为：T_β-150℃附近保温1～3h→淬火→400～600℃保温2～6h→空冷。与双重退火相比，固溶-时效仅需两次保温，且第一次保温后采用水淬冷却，故其工艺过程较短；同时，固溶-时效后的TC18合金显微组织中含有大量弥散分布的细针α相，使得合金的抗拉强度与屈服强度大幅提高（≥1250MPa），能够满足更高强度的使用要求。然而，在固溶-时效后的合金显微组织中，等轴α相与粗片α相的含量较低，导致合金的塑性与断裂韧性较差，往往难以满足伸长率≥6%、断裂韧性≥55MPa·m^1/2的俄罗斯OCT190173-75标准要求；另外，现有的固溶-时效工艺大多仅考虑了热处理温度对合金组织和性能的影响，而对保温时间、冷却方式等参数考虑较少。因此，在固溶-时效工艺的基础上，综合考虑温度、时间和冷却方式等多个参数的影响，开发一种既保证TC18钛合金高强度、又使合金塑性和韧性满足使用要求的热处理工艺是该合金的新方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TC18钛合金热处理工艺，本发明处理后的TC18钛合金，不仅具有较高的强度，而且克服了传统双重退火工艺存在合金强度较低以及固溶-时效工艺难以使合金塑性和韧性满足使用要求的问题。

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺，包括下述步骤：

第一步：一级热处理

将锻态TC18钛合金加热至β相转变温度T_β以下60℃～100℃保温2～8h后，以2～20℃/s的冷却速度冷却至室温；所述锻态TC18钛合金显微组织由β相为基体和等轴α相组成；

第二步：二级热处理

将第一步冷却后得到的合金加热至540℃～600℃，保温4～12h后，空冷至室温。

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺，所述锻态TC18钛合金的名义化学成分为：Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺，所述锻态TC18钛合金显微组织中等轴α相的体积分数为28～35%、平均尺寸为3～5μm。

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺，一级热处理保温后，合金采取强制空冷或水冷冷却至室温。

本发明涉及一种TC18钛合金热处理工艺，第一步，一级热处理保温后以5～18℃/s的冷却速度冷却至室温；更优选以8～15℃/s的冷却速度冷却至室温；最优为10～12℃/s的冷却速度冷却至室温。