[发明专利]一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法

说明书

一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，成形过程包括β/(α+β)相区多段式热处理、(α+β)相区拔长预变形和(α+β)相区低速等温锻造工序，充分利用近β型钛合金高温变形过程因片层α、基体β相交互作用诱发产生的层级结构实现粗大β晶粒的细化；以大塑性变形驱动的强烈晶体旋转加速α片层组织形态转变、弱化基体取向集中程度获得弱织构组织，最终实现近β钛合金薄壁结构件整体性能的跃升。本发明能够有效实现微观组织调控的近β型钛合金薄壁结构件成形方法，并具有工艺流程简短、设备要求低、工艺稳定性好、成形效率及材料利用率高的特点，能够实现量产化生产。

技术领域

本发明属于塑性成形制造技术领域，特别涉及一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法。

背景技术

钛合金因其轻量、高强高韧的特性在航空航天、医疗化工、舰船兵器等领域的应用需求日益广泛，其中，以近β型钛合金薄壁件为典型代表的一类结构件在提升飞行器装备运载能力、实现整体效能跃升等方面具有不可比拟的作用。

对于此类高性能薄壁构件的成形，关键在于对其宏观成形质量、微观组织性能和整体制造成本的协调控制。近β型钛合金初始β晶粒粗大，一般需通过不同工艺参数下多火次的β单相区和(α+β)两相区热变形并辅以热处理来达到细化β晶粒、调控α相形态的目的。然而，β晶粒的静态粗化和动态细化同时存在于β单相区热变形过程中，热变形后的组织细化效果并不理想。两相区热变形主要发生α相的晶格旋转和形态转化，β基体晶体取向稳定，难以破碎细化。此外，相变过程无析出区的产生、两相晶体结构差异、α相组织演变的多因素敏感性和加载条件相关性所导致的非均质变形现象显著。受限于此，在实现此类薄壁构件成形制造的同时获得理想的细晶化组织是十分困难的，而这种基于多目标的薄壁构件形性一体化热力制造是破除其深入应用发展桎梏之关键。

在现有钛及钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法中，中国专利(专利号：201110023157)公开了一种细晶钛合金的复合制备方法，其制作方法是将材料粉末经冷等静压、真空烧结后，进行β单相区高温等温锻造和(α+β)两相区低温等温锻造，最后通过热处理获得细晶化的钛合金。该方法涉及多种工艺过程累加，多火次加载增加了制造周期和成本，对模具和生产条件等要求较高，成形效率低且材料利用率不足。此外，中国专利(专利号：201611043934)公开了一种钛质药型罩的热模锻造成形方法，其工艺路径主要包括通过预锻、终锻、热处理等工序。该方法要求坯料的初始组织晶粒相对细小，且在普通氛围中进行热模锻成形易导致构件表面出现严重的氧化层，温降的存在易加剧构件各部分微观组织和力学性能的不均匀性。等温锻造能够有效消除冷模效应、大幅降低变形抗力，提高成形过程金属流动性，最大程度地减小了锻件加工余量，甚至达到近净成形，因此，等温锻造经有针对性地开发是制备钛合金薄壁结构件的一种行之有效的方法。

但通过等温锻造成形方法来制备出理想的近β型钛合金薄壁结构件，还存在以下关键问题：薄壁结构件在形状结构上具有壁厚薄的特性，需经历较大的变形量，成形稳定性不易控制；近β型钛合金热加载过程中易出现晶粒过度长大的现象，微观组织调控难。因此，为在稳定成形的同时获得细晶化的近β型钛合金薄壁结构件，需结合近β钛合金的材料特点及结构件几何结构特征对等温锻造成形技术进行合理开发及应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的成形稳定性不易控制、微观组织调控难的不足,本发明提出了一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用β型钛合金棒材，相变温度为805～850℃。将该β型钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织，热处理制度为：将所述β型钛合金棒材加热到β相变点以上40～60℃保温30～50min；保温结束后以1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至650～750℃，并继续保温30～50min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温。得到经过多段式热处理的β型钛合金棒材。