控制Ti55531合金锻件组织均匀性的方法与流程

本发明涉及一种控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，属于钛合金加工。

背景技术：

1、ti55531（ti-5al-5v-5mo-3cr-1zr）是一种高强度、高韧性的近β型钛合金，因其优异的综合性能在航空航天领域（如飞机起落架、结构件）具有广阔应用前景。然而，在该合金锻件的生产过程中，组织均匀性控制是一大技术难题。 在锻造过程中，由于应变分布不均匀，在整体变形量较小时，部分区域（尤其是具有<100>取向的β晶粒）因变形能力好，导致应变能无法有效储存。若盲目增大变形量，虽可改善均匀性，但会急剧增加模具损耗和生产成本。在后续的β固溶+时效热处理过程中，固溶时间的控制至关重要。固溶时间不足时，<100>取向晶粒难以发生充分再结晶，形成大量微小的亚晶粒；而固溶时间过长，虽能完成再结晶，但会导致晶粒粗大。这两种情况均会恶化锻件的最终组织和力学性能，导致产品批次稳定性差，无法满足高端应用领域的严格要求。

2、专利cn120421433a 公开了一种ti55531钛合金大规格棒材锻造方法，其虽然提出了通过相变点上下交替锻造来细化晶粒，但其锻造工艺参数范围宽泛，未能精准解决应变均匀性及与后续热处理的组织遗传匹配问题。对于ti55531合金特有的组织均匀性控制难题，缺乏系统性的、量化的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法。

2、为达到本发明的目的，所述方法包括以下步骤：

3、 锻造步骤：采用三阶段锻造法对ti55531合金坯料进行锻造，所述三阶段锻造法包括①预锻阶段：温度 880～900℃，应变速率 0.01～0.03s-¹；②中间锻阶段：温度 840～860℃，应变速率 0.03～0.05s-¹；③精锻阶段：温度 800～820℃，应变速率 0.05～0.08s-¹；

4、固溶热处理步骤：对锻造后的锻件进行固溶处理，其固溶时间通过量化控制模型进行确定；所述量化控制模型基于合金的mo当量cmo和位错密度ρ对基础固溶时间t0进行修正，且满足固溶后组织再结晶分数 f≥95%、平均晶粒尺寸 d≤200μm的判定标准，最终固溶时间 t 控制在1.0h～3.0h范围内。

5、在一种具体实施方式中，所述预锻阶段的变形量 20%～25%；所述中间锻阶段的变形量 15%～20%；预锻阶段和中间锻阶段累计变形量35%～45%；所述精锻阶段的变形量 5%～10%。

6、在一种具体实施方式中，所述三阶段锻造法的相邻两个锻造阶段之间设置有10～15min的保温时间，温差控制在±5℃以内；

7、优选所述预锻阶段在880～900℃保温50～70min后再进行锻造、中间锻阶段在840～860℃保温20～40min后再进行锻造、精锻阶段在800～820℃保温10～30min后再进行锻造。

8、三阶段锻造法的相邻两个锻造阶段之间设置有10～15min的保温时间，温差控制在±5℃以内以确保锻件温度均匀。

9、在一种具体实施方式中，所述量化控制模型按以下方式确定固溶时间：

10、基础固溶时间 t0 = 1.4h，对应标准成分 cmo=9.3、位错密度 ρ=7×1012m-2的基准条件；

11、根据合金成分和位错密度进行修正，修正后的固溶时间 t = t0 × k1 × k2；

12、其中，k1为成分修正系数，k1=1+0.7×(cmo-9.3)；

13、k2为位错密度修正系数，k2=e^(-0.04×ρ)，ρ的单位为1012 m-2； 最终固溶时间t控制在1h～3h范围内，当计算值 t<1.0h 时，取 1.0h；当计算值t>3.0h 时，取 3.0h。

14、在一种具体实施方式中，所述再结晶分数 f 与固溶时间 t 满足动力学方程：f=1-e^(-3.1t^0.7)；平均晶粒尺寸 d 与固溶时间 t 满足长大方程：d=34+66t^0.75；其中 d的单位为 μm，t 的单位为 h。

15、在一种具体实施方式中，所述 ti55531 合金的 mo 当量 cmo计算公式为：

16、cmo=w(mo)+0.67×w(v)+0.44×w(cr)-0.11×w(al)+0.18×w(zr)；当 mo 当量cmo每增加0.1%，固溶时间延长5%～8%；位错密度ρ每提高1×1012m−2，固溶时间缩短3%～5%；

17、w(mo)、w(v)、w(cr)、w(al)、w(zr)分别为mo、v、cr、al、zr的质量百分含量。

18、在一种具体实施方式中，所述固溶处理的保温温度为ti55531合金β相变点以上10～30℃。

19、在一种具体实施方式中，所述固溶处理的升温速率控制在5～10℃/min。

20、在一种具体实施方式中，采用 x 射线衍射法测量位错密度ρ，包括通过williamson-hall 法计算位错引起的微观应变，结合scherrer公式得到位错密度ρ。

21、在一种具体实施方式中，ti55531 合金经三阶段锻造后，位错密度ρ的范围为 4×1012～11×1012m-2。

22、有益效果：

23、与现有技术相比，本发明具备以下显著优点：

24、系统性：首次将锻造工艺与固溶热处理作为一个整体系统进行协同设计，锻造为热处理做准备，热处理实现锻造引入潜能的有效转化。

25、精准性：通过三阶段锻造精确控制了应变场分布；通过建立的量化模型，实现了固溶时间的动态、精准计算，克服了传统一刀切工艺的局限性。

26、有效性：本发明能有效解决ti55531合金锻件组织均匀性差的问题，抑制宏区形成，获得再结晶充分且晶粒细小的均匀组织，从而显著提高锻件的力学性能一致性和批次稳定性。

27、经济性：在保证性能的前提下，通过优化工艺避免了过度的变形和无效的热处理时间，有助于降低生产成本。

1.控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述预锻阶段的变形量20%～25%；所述中间锻阶段的变形量15%～20%；预锻阶段和中间锻阶段累计变形量35%～45%；所述精锻阶段的变形量5%～10%。

3.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述三阶段锻造法的相邻两个锻造阶段之间设置有10～15min的保温时间，温差控制在±5℃以内；

4.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述量化控制模型按以下方式确定固溶时间：

5.根据权利要求 1 所述的控制 ti55531 合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述再结晶分数 f 与固溶时间 t 满足动力学方程：f=1-e^(-3.1t^0.7)；平均晶粒尺寸 d与固溶时间 t 满足长大方程：d=34+66t^0.75；其中 d 的单位为 μm，t 的单位为 h。

6.根据权利要求1所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述ti55531 合金的 mo 当量 cmo计算公式为：

7.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述固溶处理的保温温度为ti55531合金β相变点以上10～30℃。

8.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述固溶处理的升温速率控制在5～10℃/min。

9.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，采用 x 射线衍射法测量位错密度ρ，包括通过 williamson-hall 法计算位错引起的微观应变，结合scherrer公式得到位错密度ρ。

10.根据权利要求1或2所述的控制ti55531合金锻件组织均匀性的方法，其特征在于，ti55531 合金经三阶段锻造后，位错密度ρ的范围为 4×10¹²～11×10¹²m⁻²。