[发明专利]一种超高韧中强高塑TC32钛合金零件的真空热处理方法

说明书

本发明属于金属材料科学技术加工领域，涉及一种超高韧中强高塑TC32钛合金零件的真空热处理方法，将TC32钛合金零件放入真空热处理炉内，真空炉内的真空压强不大于6.7×10^‑2Pa；采用0.3℃/s的升温速率将TC32钛合金零件随炉升温至Tβ+10℃，保温均热时间45min～90min；保温结束后，以80℃/s～180℃/s的冷却速率随炉冷却至Tβ‑10℃，然后保温，保温均热时间为25min～35min；保温结束后，以0.001℃/s～0.1℃/s的冷却速率随炉冷却至500℃～550℃，然后保温，保温均热时间为300min～380min，出炉空冷；通过对TC32钛合金零件实施跨相区快速冷却、两相区慢速冷却的真空热处理技术，达到精确控制显微组织的目的，显著提高了TC32钛合金的综合性能，断裂韧性达到了140MPa·m^1/2及以上，塑性达到了15％及以上，强度保证在850MPa及以上。

技术领域

本发明属于金属材料科学技术加工领域，涉及一种超高韧中强高塑TC32钛合金零件的真空热处理方法。

背景技术

伴随着航空技术的发展，飞机结构设计思想经历了从静强度、动强度、疲劳强度到断裂强度的发展过程而不断进步，具有高断裂韧度的钛合金材料因此受到重视，推动了钛合金材料应用技术的进一步发展。随着我国新一代飞机整体性能要求的不断提高，某关键结构零部件钛合金材料的断裂韧度值设计许用值需要达到超高韧140MPa·m^1/2级别，并要求具有中等强度和高塑性。目前，我国航空领域中具有高断裂韧度的钛合金材料主要是TC4-DT和TC21钛合金。TC4-DT钛合金经“准β热处理工艺(授权专利号：ZL200410090864.3)”处理后，断裂韧度实测平均值最高可达110MPa·m^1/2级别。TC21钛合金经“准β锻造工艺(授权专利号：ZL01131237.8)”处理后，断裂韧度实测平均值最高达可达100MPa·m^1/2级别。两者均不能满足使用要求。

TC32钛合金是北京航空材料研究院通过低成本合金化、综合强韧化等技术研制成功的一种新型低成本高综合性能钛合金(授权专利号：ZL201218001211.9)，主干化学成分为Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr。研究发现，由于TC32钛合金化学成分的优异性，该合金的热加工工艺窗口广，特别是强韧性匹配极为优良，在显著提高断裂韧度的同时，强度降低趋势并不明显。但当前，利用电阻炉或者燃料炉对该合金进行常规热处理，例如β热处理或者准β热处理时，断裂韧度实测平均值最高可达125MPa·m^1/2级别，但塑性仅11％左右，也不能满足使用要求。这主要是由于，采用电阻炉或者燃料炉进行热处理，一方面不能精确控制不同冷却阶段的冷却速率，从而无法充分抑制脆性相晶界α相的析出，另一方面也容易导致零件基体在高温保温时吸氢和吸氧，这些均导致零件的断裂韧性和塑性无法进一步提高。因此，为了使TC32钛合金材料达到超高韧140MPa·m^1/2级别，获得高塑性，并保证足够的强度，对该合金显微组织的精细控制变得更为关键，需设计出一种新的热处理方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种超高韧中强高塑TC32钛合金零件的真空热处理方法，以满足我国新一代先进飞机关键结构零部件使用需求。

通过对TC32钛合金进行热处理试验研究后发现，钛合金片层组织类型具有最高的断裂韧性，因此其热处理温度应选定在TC32钛合金相转变温度值以上。但随着温度的升高和保温时间的延长，原始β晶粒会显著增大，降低塑性。晶粒长大动力学研究结果显示，TC32钛合金在Tβ+10℃长时间保温，不会造成晶粒的显著长大，从而在提高断裂韧性的同时，并不会显著降低塑性。