[发明专利]一种制备近α型高温钛合金层状组织结构的热加工及热处理工艺

说明书

一种制备近α型高温钛合金层状组织结构的热加工及热处理工艺，属于钛合金制备技术领域。首先将经两相区锻造的高温钛合金在低于其β/(α+β)相转变点以下30～35℃范围内保温55～65min后空冷，得到等轴组织；然后在低于其β/(α+β)相转变点以下15～20℃范围内保温55～65min，并直接进行热轧；随后在其β/(α+β)相转变点以下85～90℃范围内保温10～15min并直接进行热轧，获得具有α_p/α_s微纳层状组织结构的高温钛合金板材，再进行稳定化和时效热处理。本发明不仅大大提高了高温钛合金的拉伸性能，使合金的抗拉强度(σ_b)和屈服强度(σ_0.2)均得到提高，而且其延伸率(δ)略有升高。

技术领域

本发明属于钛合金制备技术领域(一种形变与相变控制的热机械变形领域)，具体涉及一种制备微纳层状结构的高温钛合金板材及其热加工及热处理工艺，微纳层状组织结构的高温钛合金板材具有优异综合性能，在航空航天领域将有重要的应用。

背景技术

随着高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的要求越来越高，对耐更高温度的新型高温钛合金的研发及先进的成形工艺的开发提出了迫切要求。高温钛合金的服役温度从300℃提高到650℃，其服役温度和性能的提升多以提高合金化程度为主要手段，这势必会造成服役条件下组织稳定性的降低。因此，进一步提高高温钛合金的使用温度主要受到服役条件下组织稳定性的限制。在以保证合金热稳定性为原则设计高温钛合金的条件下，微观组织调控成为提高其在更高温度下的服役性能的最为有效的手段。

综合α相形貌特征及其与性能的关系，将钛合金典型组织分为魏氏组织、网篮组织、等轴组织及双态组织。其中魏氏组织具有较高的蠕变抗力、持久强度和断裂韧性，但其塑性很差；网篮组织塑性、蠕变抗力及高温特性等综合性能较好，但疲劳性能较差；等轴组织具有较高的塑性，但其蠕变抗力较低；双态组织具有较高的疲劳强度和塑性，但蠕变抗力提高不大。对于典型的600℃高温钛合金而言，以优化合金的疲劳性能为主要目标，设计IMI834并建议合金采用双态组织；而以增强高温钛合金高温蠕变性能为主要目标，设计出Ti1100并建议合金采用层片组织。然而，兼具室温和高温强韧性、热稳定性、高温蠕变性能及疲劳性能的组织模式尚在研究之中。本发明专利提供一种有潜力的高温钛合金的新型组织结构，即一种α_p/α_s微纳层状结构，其特点是，结合热变形加工与相变热处理工艺，制备出纳米尺寸的层片状α_s相结构与微米尺寸的层片状α_p相结构，且α_s和α_p交替层状排布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备近α型高温钛合金层状组织结构的热加工及热处理工艺，该高温钛合金组成元素按质量百分比为，Al:6.0-6.2％,Sn:3.0-3.3％,Zr:2.3-2.5％,Hf:0.5-0.6％,Mo:0.5-0.6％，Nb:0.8-1.0％,Ta:0.9-1.0％,Si:0.4-0.5％,Er:0.1-0.3％,剩余为Ti。本发明制备的α_p/α_s层状微纳结构的高温钛合金板材，突破钛合金传统的微观组织模式，具有优异的综合力学性能，从而提高高温钛合金的服役性能。

本发明所提供的一种制备近α型高温钛合金层状组织结构的热加工方法，具体包括以下步骤：

步骤一

采用常规铸造方法获得高温钛合金铸锭，将该铸锭在其β/(α+β)相转变点以上140～155℃的β单相区开坯锻造，随后在其β/(α+β)相转变点以下25～35℃的(α+β)两相区锻造获得棒材，将该棒材进行热处理，热处理温度为该高温钛合金β/(α+β)相转变点以下30～35℃范围内，保温时间为55～65分钟，保温结束后以空冷方式冷却至室温得到等轴组织。

本步骤对经过两相区开坯锻造的高温钛合金进行静态球化处理，防止锻造过程中形成的组织及微取向对后续组织调控造成遗传影响。

步骤二