一种采用阶梯应变速率锻造工艺细化TC18钛合金β晶粒的方法与流程

一种采用阶梯应变速率锻造工艺细化tc18钛合金
β
晶粒的方法
技术领域
1.本发明属于锻造技术领域，涉及一种采用阶梯应变速率锻造工艺细化tc18钛合金β晶粒的方法。


背景技术：

2.tc18钛合金是一种近β钛合金，其兼具α β钛合金和β钛合金的性能特点，不仅具有优良的韧性、强度、损伤容限、抗腐蚀性能和耐疲劳性能，还具有良好的淬透性等优点。目前近β钛合金被广泛地用于飞机起落架、机壳、机翼等航空零部件的生产。
3.tc18钛合金的性能与其内部微观组织形态密切相关。双态组织的钛合金综合性能较好，一般经α β相区锻造获得，α β相区锻造的一个重要目标是通过动态再结晶来细化粗大的原始β晶粒组织。然而，研究表明动态再结晶β晶粒在形核产生后，会随着剩余变形过程的进行而不断长大，导致动态再结晶β晶粒粗化，由于β晶粒粗化会使合金的塑性急剧下降，为此需要严格控制变形温度和时间。在实际的锻造过程中，常通过α β相区的反复镦拔变形使β晶粒充分破碎，锻造工艺复杂，成本过高。因此，需要发明一种锻造成形工艺能以较小的变形达到细化tc18钛合金β晶粒的目的。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于提供一种采用阶梯应变速率的锻造工艺细化tc18钛合金β晶粒的方法，该方法可以有效地以相对较小的变形量细化tc18钛合金β晶粒，解决了现有细化tc18钛合金β晶粒的方法需要多道次或者反复大变形的难题。
5.本发明解决上述难题的具体方案是：
6.步骤1：将初始组织为双态组织的tc18钛合金锻坯加热至α β双相区锻造温度，并保温至锻坯温度均匀后，进行阶梯应变速率锻造，锻造温度为700～820℃，阶梯应变速率包含两阶段，第一阶段应变速率为0.1～0.5s-1
，第二阶段应变速率为1～5s-1
，第一阶段的变形量为坯料高度的20～40％，第二阶段的变形量为坯料高度的30～50％，两阶段总变形量为50％～70％,第一阶段变形结束后应变速率立即变化，无间隔保温时间；
7.步骤2：锻造结束后，立即对锻件进行淬火处理。
8.本发明的有益效果在于：
9.该方法充分利用了动态再结晶-变形-动态再结晶这种软化硬化交替的机制，采用应变速率先低后高的两阶段阶梯应变速率变形，触发多次动态再结晶形核，有效抑制了动态再结晶β晶粒的长大。其原理为：第一阶段的变形由于锻件的加工硬化在其内部产生了大量位错，形变储能引发了初始β晶粒的动态再结晶行为，当产生的动态再结晶β晶粒刚发生有限的长大，此时突然提高应变速率，增大了锻件的位错增殖率，加工硬化率再次提升，进一步促进了动态再结晶β晶粒的形核，使得动态再结晶β晶粒的长大受到抑制。此外，在第二阶段变形过程中，随着应变速率的增加，抑制了α晶粒向β晶粒的转变进程，加强了α晶粒对β
晶粒的钉扎作用，阻碍了动态再结晶β晶粒的长大。因此，该方法能够在相对较小的变形量下实现了细化tc18钛合金β晶粒目的。
附图说明
10.图1tc18钛合金锻坯的原始组织：(a)ebsd菊池带衬度图；(b)β晶粒尺寸统计图；
11.图2实施例的锻造工艺示意图：(a)温度-时间曲线；(b)应变速率-真应变曲线；
12.图3实施例采用0.1
→
1s-1
阶梯应变速率锻造工艺获得的：(a)真应力-真应变曲线；(b)ebsd菊池带衬度图；(c)β晶粒尺寸统计图；
13.图4实施例对比实验采用0.1s-1
恒应变速率获得的：(a)真应力-真应变曲线；(b)ebsd菊池带衬度图；(c)β晶粒尺寸统计图；
14.图5实施例对比实验采用1s-1
恒应变速率获得的：(a)真应力-真应变曲线；(b)ebsd菊池带衬度图；(c)β晶粒尺寸统计图；
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
16.本发明是一种采用阶梯应变速率锻造工艺细化tc18钛合金β晶粒的方法，下面所有实施例中选用的tc18钛合金成分如下表1，该合金的原始组织为双态组织，其电子背散射衍射(ebsd)得到的菊池带衬度图如图1所示。统计得到初始β晶粒的平均尺寸为24.7μm。
17.表1发明实例中所用材料的tc18钛合金成分(wt.％)
[0018][0019]
实施例
[0020]
步骤1：将初始组织为双态组织的tc18钛合金锻坯加热至α β双相区锻造温度，并保温至锻坯温度均匀后，进行阶梯应变速率锻造，锻造温度为730℃，该阶梯应变速率包含两阶段：第一阶段应变速率为0.1s-1
，第二阶段应变速率为1s-1
，第一阶段的变形量为坯料高度的20％(真应变0.3)，第二阶段的变形量为坯料高度的40％(真应变0.62)，两阶段总变形量为60％(真应变0.92),第一阶段变形结束后应变速率立即变化，无间隔保温时间；
[0021]
步骤1中，tc18钛合金锻坯的锻造工艺流程如图2(a)所示：锻坯首先以10℃/s的升温速度加热至730℃，然后保温300s，使温度分布均匀，接着进行两阶段阶梯应变速率锻造，在变形过程中锻坯温度保持730℃不变，实施例中应变速率在第一阶段变形结束时立即突变，其应变速率与真应变的关系如图2(b)所示；
[0022]
步骤2：锻造结束后，立即对锻件进行淬火处理。
[0023]
实施例获得的真应力-真应变曲线如图3(a)所示，对tc18钛合金锻件进行电子背散射衍射(ebsd)观察，使用mtex-5.2.6软件进行晶粒重构，得到实施例微观组织的菊池带衬度如图3(b)所示，和β晶粒尺寸统计如图3(c)所示。对比图3(b)和图1(a)、图3(c)和图1(b)可知，本发明的方法可以在锻坯的总变形量为60％时实现动态再结晶β晶粒的细化。为了证明本方法的优越性，进行了对比实验，对比实验所选用的变形温度和锻坯的总变形量与本发明实施例相同，区别在于对比实验以恒应变速率变形。图4(a)所示为对比实验以恒
应变速率0.1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的真应力-真应变曲线图；图4(b)所示为对比实验以恒应变速率0.1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的菊池带衬度图；图4(c)所示为对比实验以恒应变速率0.1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的β晶粒尺寸统计图。图5(a)所示为对比实验以恒应变速率1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的真应力-真应变曲线图；图5(b)所示为对比实验以恒应变速率1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的菊池带衬度图；图5(c)所示为对比实验以恒应变速率1s-1
变形至总变形量60％(真应变0.92)时的β晶粒尺寸统计图。由图4(c)和图5(c)可知，未采用本发明方法时，相同的锻坯总变形量，β晶粒尺寸分别为4.19μm和3.62μm，高于采用本发明方法的2.54μm，采用本发明方法获得的β晶粒更均匀细小。因此，对比实验证明了本发明提出的方法的优越性。
[0024]
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。