一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法

本发明属于钛合金强韧化处理，具体涉及一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法。

背景技术：

1、随着航空航海装备轻量化需求的发展，开发具有高比强度和优良强度塑性协同的新型结构材料越发迫切。然而，金属结构材料的强度和塑性往往呈现顾此失彼的关系，面临紧迫的强度-塑性困境，限制了其在材料领域的发展。目前，亚稳态β钛合金凭借其优良的冷热成型能力、深淬透性及良好的抗腐蚀性能，已经广泛地应用于航空航海和石油化工等领域。

2、亚稳态β钛合金由于β相的相稳定性较低，导致自身具有孪晶诱导塑性与相变诱导塑性效应从而受到了广泛关注。这种独特的变形机制使其在塑性变形中引发动态霍尔佩奇效应从而为其带来了出乎意料的加工硬化能力，使其能够在很大程度上克服传统的强度-延展性困境。目前对于给定成分的亚稳态β钛合金的强化方式主要为析出相强化或者热加工结合析出相强化两种。相比于析出相强化，热加工结合析出相调控微观组织强化的方法处理工艺繁琐且处理窗口期窄，从而极大提升了加工成本，因此通过单独调控析出相强化合金力学性能更具有实际可行性。

3、截至目前，已经有研究表明通过析出α相或低温短时时效析出ω相来提升亚稳态β钛合金的屈服强度是行之有效的强化途径。然而，通过析出α相提高亚稳态β钛合金屈服强度的同时，会伴随着应力诱发孪晶/应力诱发马氏体效应的显著抑制导致的延伸率的大幅降低。低温短时时效析出ω相面临着热处理窗口期短，且析出温度或时间控制不精准容易导致亚稳态β钛合金的急速脆化。因此，现有的提高屈服强度的强化策略严重限制了亚稳态β钛合金的应用和发展。

4、综上所述，如何通过新型处理方法优化现有成分的亚稳态β钛合金的微观组织结构，使其在保证已有优良塑性的同时显著提高其屈服强度，实现理想的强度塑性匹配成为本领域亟需解决的关键问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其通过调控α相析出以有效提高亚稳β钛合金的强度和塑性，能够解决现有亚稳态β钛合金在提高屈服强度的同时会牺牲塑性，且制备成本高、强化方法复杂的问题。

2、本发明的目的还在于提供一种采用上述方法加工得到的钛合金构件。

3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

4、一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，包括以下步骤：

5、(1)将具有等轴β组织的亚稳态β钛合金在α+β双相区进行固溶处理；所述固溶处理的温度为β相变点以下20℃～50℃；

6、(2)将固溶处理后的亚稳态β钛合金进行水淬处理，水淬处理后得到晶粒心部为β相，且晶界处为析出α相的钛合金构件。

7、进一步地，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的平均晶粒尺寸为100μm～200μm。通过控制亚稳态β钛合金的晶粒尺寸，以保证其晶粒尺寸处于能够激活应力诱发孪晶塑性效应的合适范围。

8、进一步地，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的厚度大于2mm。

9、本发明对于亚稳态β钛合金的合金成分体系没有特别的针对性，本发明的方法以及强韧化思路对于本领域中不同种类的亚稳态β钛合金均适用。进一步优选地，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-8.5cr-1.5sn、ti-4mo-3cr-1fe中的一种。

10、进一步地，步骤(1)中，所述固溶处理在马弗炉中进行；固溶处理是在马弗炉达到所需温度后，再将亚稳态β钛合金放入马弗炉中进行固溶处理。

11、通过控制固溶处理的温度和时间，能够避免晶粒粗化，定量控制α相在晶界及晶界附近析出。进一步地，步骤(1)中，所述固溶处理的时间为5min～50min。

12、进一步地，步骤(2)中，从固溶处理结束到水淬处理开始的时间间隔在3s以下。

13、进一步地，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-8.5cr-1.5sn时，固溶处理的温度为680℃～710℃，时间为30min～45min。

14、进一步地，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-4mo-3cr-1fe时，固溶处理的温度为720℃～750℃，时间为4min～7min。

15、一种采用上述方法加工得到的钛合金构件。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

17、本发明提供的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，通过控制固溶处理的工艺条件，将亚稳态β钛合金在α+β双相区进行固溶处理，进一步结合后续的水淬处理，能够有效避免晶粒粗化，定量控制α相在晶界及晶界附近析出，从而得到晶粒心部为β相，晶界处为α析出相的微观组织。而晶界处α相的析出导致的合金元素再分配提高了β相的相稳定性，因此提高了晶界处应力诱发变形孪晶的临界切应力。晶粒内部由于无α相的析出，β相仍然处于亚稳态从而保持诱发大量变形孪晶的能力。以ti-8.5cr-1.5sn钛合金为例，采用本发明的方法对亚稳态ti-8.5cr-1.5sn钛合金进行加工处理，能够将其屈服强度从478mpa提升至636mpa，屈服强度提高了33.1％，而其断裂延伸率仅从49％下降到47％，几乎保持不变。进一步地，以ti-4mo-3cr-1fe钛合金为例，采用本发明方法对亚稳态ti-4mo-3cr-1fe合金进行加工处理，能够将其屈服强度提升至681mpa，抗拉强度提升至961mpa，延伸率仅降低7％。

18、可见，本发明提供的通过对α+β双相区固溶处理以提高晶界附近β相的相稳定性的方法，能够使亚稳态β钛合金在保证原有孪晶诱发塑性/相变诱发塑性效应不被抑制的前提下大幅提升屈服强度，有效解决现有亚稳态β钛合金在提高屈服强度的同时会牺牲塑性的技术难题。此外，本发明的方法还具有操作简便、成本低、适用范围广等优点，能够解决现有制备方法制备成本高、强化方法复杂的问题。因此，本发明的方法，在亚稳态β钛合金强韧化方面具有很强的竞争力，在制备高强高韧的高品质钛合金部件方面具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的平均晶粒尺寸为100μm～200μm。

3.根据权利要求1所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的厚度大于2mm。

4.根据权利要求1所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-8.5cr-1.5sn、ti-4mo-3cr-1fe中的一种。

5.根据权利要求1～4任一项所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固溶处理在马弗炉中进行；固溶处理是在马弗炉达到所需温度后，再将亚稳态β钛合金放入马弗炉中进行固溶处理。

6.根据权利要求1～4任一项所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固溶处理的时间为5min～50min。

7.根据权利要求1～4任一项所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，步骤(2)中，从固溶处理结束到水淬处理开始的时间间隔在3s以下。

8.根据权利要求4所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-8.5cr-1.5sn时，固溶处理的温度为680℃～710℃，时间为30min～45min。

9.根据权利要求4所述的提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法，其特征在于，所述亚稳态β钛合金的组成为ti-4mo-3cr-1fe时，固溶处理的温度为720℃～750℃，时间为4min～7min。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的方法制备得到的钛合金构件。

技术总结本发明属于钛合金强韧化处理技术领域，具体涉及一种提高亚稳态β钛合金强度和塑性的方法。本发明提供的方法，通过对亚稳态β钛合金在α+β双相区进行固溶处理，并结合水淬处理，能够避免晶粒粗化，定量控制α相在晶界及晶界附近析出，得到晶粒心部为β相，晶界处为α析出相的微观组织。本发明采用该方法能够使亚稳态β钛合金在保证原有孪晶诱发塑性/相变诱发塑性效应不被抑制的前提下大幅提升屈服强度，有效解决现有亚稳态β钛合金在提高屈服强度的同时会牺牲塑性的技术难题。此外，本发明的方法还具有操作简便、成本低、适用范围广等优点，能够解决现有方法制备成本高、强化方法复杂的问题，在亚稳态β钛合金强韧化方面具有广泛的应用前景。技术研发人员：王启,桑彪,任军强,辛超,李子庆受保护的技术使用者：黄淮学院技术研发日：技术公布日：2024/8/5