一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法及制品与流程

本发明属于钛合金热处理，具体涉及一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法及制品。

背景技术：

1、超高强钛合金是一种新型近β型高强钛合金，因其优异的比强度和良好的加工性能，在航空航天紧固件、承力结构件等领域具有广阔的应用前景。然而，其高强度与高塑性之间的倒置矛盾是长期制约其工程应用的核心难题。组织调控是性能优化的有效途径，而组织受析出相尺寸、形貌、分布的影响较大。超高强钛合金从β基体中析出多种形态和尺度的α相，主要包括初生α相（αp）、晶界α相（αgb）、晶内粗大α相（αcoarse）和细小α相（αfine）。其中，晶界α相（αgb）是一类具有独特析出特征的α相：它优先沿晶界/亚晶界形核并生长，形成连续或半连续的网状分布，这种网状结构在变形过程中易成为裂纹萌生和扩展的优先通道，导致合金塑性显著降低。初生α相（αp）为等轴状软相，在变形过程中可协调应变、延缓颈缩，对塑性有利。晶内粗大α相尺寸较大，平均自由程长，可协调变形，对合金塑性有益。细小α相通过orowan机制提供显著的析出强化效果，是高强度的主要来源。由于各尺度α相在时效过程中共享同一热力学析出总量，某一组分析出过多必然挤占其他组分的析出份额，因此各相之间并非独立可控，而是存在此消彼长的分配关系。如何合理调控各尺度α相的体积分数与空间分布，是实现强塑性协同的关键。

2、近年来，异构组织（heterostructure）设计被认为是突破强塑性倒置的有效途径。通过在微观组织中引入不同尺度的析出相，利用多尺度的应变不协调产生异质变形诱导（hdi）背应力强化，可协同提升强塑性。然而，现有异构组织设计方法在工业适配性和α相析出分配调控方面存在不足。西部超导提出了超高强钛合金在β相变点以上固溶后分阶段控制升温速率进行时效的热处理工艺（cn115852284a），该工艺可获得β晶粒并保障时效强化效果，但固溶温度远超相变点，初生αp完全溶解，无法利用αp协调变形的有益作用。另有研究提出了超高强钛合金大规格锻坯的锻造方法（cn114603074a），通过多火次镦拔控制变形量与温度，但该工艺侧重于锻造变形控制，未涉及后续时效过程中α相析出分配的调控。另有研究提出采用高能脉冲电流快速加热结合中温短时保温和低温时效在亚稳β钛合金中制备三态组织的方法（cn117364004a），但该方法依赖脉冲电流等特殊设备，工业适配性受限。中国科学院金属研究所提出了通过亚稳相细化机制调控钛合金获得四级异构组织的方法（cn121874525a），利用ω/α″协同调控构筑多尺度α片层，但其关注点在于亚稳相辅助形核细化α片层，未考虑晶界α相的调控及其对异构组织形成的影响。因此，亟需一种基于析出分配调控的热处理方法以设计三态异构组织，实现超高强钛合金强塑性的协同提升。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法。该方法采用三段式阶梯时效工艺，通过精确控制各阶段时效温度和保温时间，使得晶内-晶界析出竞争达到平衡态，调节粗大α与细小α的配比，获得“初生αp相+少量晶内粗大αcoarse相+大量细小αfine相”的三态异构组织，实现了强塑性协同提升，解决了现有技术中缺乏对晶界α相与晶内α相析出分配的有效调控手段、难以兼顾超高强钛合金强度与塑性的难题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤一、第一阶段时效：将超高强钛合金在740℃~760℃保温0.5h~2h，随后在空气中放置；

4、步骤二、第二阶段时效：将步骤一中在空气中放置后的超高强钛合金在640℃~660℃保温15min~30min，使得晶内-晶界析出竞争达到平衡态，晶内-晶界分配比为晶界α相体积分数与晶内粗大α相体积分数的比值即，且控制在1.1~1.9之间，随后在空气中放置；

5、步骤三、第三阶段时效：将步骤二中在空气中放置后的超高强钛合金在490℃~510℃保温4h~6h，空冷至室温，获得具有三态异构组织的超高强钛合金；

6、步骤一中在空气中放置时间

t1=（第一阶段时效温度-第二阶段时效温度）/10，且温度单位为℃，时间单位为s；步骤二在空气中放置时间

t2=（第二阶段时效温度-第三阶段时效温度）/10，且温度单位为℃，时间单位为s；

7、所述三态异构组织包括初生αp相、晶界αgb相、晶内粗大αcoarse相和细小αfine相。

8、晶界-晶内竞争机制原理：在本发明的三段式阶梯时效热处理过程中，第二阶段时效即中间温度（640℃~660℃）下α相的析出总量由热力学平衡决定（杠杆定律），即：

9、

10、其中，为中间温度下的平衡α相体积分数，

vβ为β基体体积；析出总量在晶界αgb与晶内αintra之间的分配由晶界面积

sgb决定。

11、晶界αgb相因形核能垒极低，优先形核并占据析出体积分数占比：

12、

13、其中，为生长速度，为生长时间。

14、定义晶内-晶界分配比为晶界αgb相体积分数与晶内粗大α相体积分数的比值，直接表征第二阶段时效保温中晶界与晶内的竞争结果。当q在1.1~1.9之间时，晶界-晶内析出竞争达到平衡态：晶界αgb相适度生长，晶内保留少量粗大αcoarse相，并在第三阶段时效后与大量弥散析出的细小αfine相共同构成“少量粗大α相+大量细小α相”的优异异构组织，实现强塑性协同；当q<1时，晶内粗大αcoarse相占据优势，过度消耗溶质导致细小αfine相析出被抑制，合金强度显著降低；当晶内无粗大αcoarse相析出时，q值趋于无穷大，无论其原因为第二阶段保温时间不足、时效温度不足，还是晶界αgb相过度占据析出体积分数，均表明晶界-晶内析出竞争失衡，无法形成有效的三态异构组织。

15、同时，本发明第一阶段时效的温度（αp温度）通过影响初生αp的体积分数来调控sgb：第一阶段时效温度越低，初生αp相体积分数越高，被钉扎的sgb越大。因此，将第一阶段时效温度控制在740℃~760℃（优选750℃），使初生αp相体积分数保持在13%~17%的适中水平，

sgb不至于过大，确保晶界-晶内析出竞争处于平衡态。

16、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤一中所述超高强钛合金为tb18合金。

17、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤一中将超高强钛合金在745℃~755℃保温0.8h~1.2h。

18、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤一中经第一阶段时效后的超高强钛合金中初生αp相的体积分数为14.4%~16.2%。

19、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤二中将步骤一中在空气中放置后的超高强钛合金在645℃~655℃保温18min~22min，且控制在1.5~1.6之间。

20、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤二中经第二阶段时效后的超高强钛合金中晶界αgb相的体积分数为7.2%~9.0%。

21、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤三中将步骤二中在空气中放置后的超高强钛合金在495℃~505℃保温4.5h~5.5h。更优选地，温度为500℃，保温时间为5h。

22、上述的一种基于晶界-晶内析出竞争调控超高强钛合金三态异构组织的热处理方法，步骤三中所述具有三态异构组织的超高强钛合金同时满足：抗拉强度≥1260mpa，延伸率≥13%。

23、同时，本发明还公开了一种热处理方法制备的超高强钛合金制品，该超高强钛合金制品具有三态异构组织，微观组织按体积分数计由以下各相组成：初生αp相的体积分数为13%~17%，晶界αgb相的体积分数为6.2%~9.6%，晶内粗大αcoarse相的体积分数为4.2%~7.5%，细小αfine相的体积分数为27.6%~40.5%，余量为β相；且晶内-晶界分配比控制在1.1~1.9之间。

24、本发明与现有技术相比具有以下优点：

25、1、基于晶界-晶内竞争机制的工艺设计：本发明基于超高强钛合金（高mo当量）特有的析出动力学窗口，首次揭示了超高强钛合金多级时效中αgb与晶内粗大α竞争的物理机制，并提出晶内-晶界分配比的定量调控框架（即晶界αgb体积分数与晶内粗大α相体积分数的比值），热力学（温度和时间）决定了α的总析出量，而晶界面积

sgb决定了析出总量在晶界与晶内之间的分配；基于此，本发明对时效热处理实施分阶段定向调控：第一阶段时效通过精确控制保温温度和保温时间，使

sgb保持在适中水平，避免αgb相过度占据析出体积分数而抑制晶内粗大αcoarse相的析出；第二阶段时效通过精确控制保温温度和保温时间，控制晶内粗大αcoarse相的析出总量，避免晶内粗大αcoarse相过度析出而消耗大量溶质、抑制细小αfine相的析出；第三阶段时效通过精确控制保温温度和保温时间，使大量细小αfine相在晶内弥散析出，与晶界αgb相、少量晶内粗大αcoarse相共同构成三态异构组织；三个阶段协同使晶界-晶内析出相竞争达到平衡态，从而将晶内-晶界分配比控制在1.1~1.9之间，获得“少量晶内粗大α相+大量细小α相”的最佳异构配比，实现强塑性协同。

26、2、揭示“抑制粗大α相≠获得更多细小α相”的反直觉规律：本发明的研究过程中发现，细小αfine相的析出量取决于β基体的剩余过饱和度，αgb相与晶内粗大αcoarse相同为大量消耗溶质的大尺度析出相（平衡态下二者消耗的溶质总量相当，q值1.1~1.9即体现二者体积分数相近），抑制粗大αcoarse相所节省的溶质并不会等量转化为细小α相；无论粗大αcoarse相因何种原因缺失（αgb相过度消耗、保温时间不足、时效温度不足），细小αfine相均不能等量补偿，强塑性协同亦无法实现，即真正决定强塑性协同的是粗大αcoarse相与细小αfine相的配比，而非粗大αcoarse相的有无；因此，本发明通过精确控制第一阶段时效的保温温度（使

sgb适中、αgb相不过度）以及第二阶段时效的保温温度和保温时间（使少量粗大α相稳定析出），并通过第三阶段时效（490℃~510℃）使细小αfine相充分弥散析出，进而控制粗大αcoarse相与细小αfine相的配比，获得三态异构组织，实现强塑性协同。

27、3、强塑性协同最优：本发明通过三段式阶梯时效工艺，在第二阶段时效的短时保温后使得晶界-晶内析出相竞争达到平衡态，晶内析出少量粗大αcoarse相（4.2%~7.5%），与第三阶段时效（490℃~510℃）析出的大量细小αfine相（27.6%~40.5%）形成最佳异构配比，利用初生αp相和粗大αcoarse相协调提升塑性，细小αfine相提供orowan强化维持高强度，实现超高强钛合金抗拉强度≥1260mpa、延伸率≥13%。

28、4、工艺可操作性强：本发明的三段式阶梯时效工艺仅需常规箱式炉即可实现，无需特殊设备（如脉冲电流加热、快速冷却等），工艺参数明确、操作简便，具有良好的工业适配性。

29、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。