CN1020638C

CN1020638C - 制造具细针状显微组织的钛和钛合金的方法

Info

Publication number: CN1020638C
Application number: CN91100745.8A
Authority: CN
Inventors: 木村钦一; 林正之; 石井满男; 吉村博文; 高村仁一
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-22
Publication date: 1993-05-12
Anticipated expiration: 2005-12-22
Also published as: CN1053643A; US5125986A; JPH03193850A; EP0434069B1; DE69012764D1; EP0434069A1; DE69012764T2

Abstract

本发明的特征在于，将被0.02-2%(重量)的氢量所氢化的钛材料或者α或(α+β)钛合金材料加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，在该温度范围内以30%或更大的压下量进行热加工，在β单相温度区结束热加工，冷却到400℃或更低的温度，然后进行真空退火，由此制得具有细针状显微组织的钛和钛合金材料。

Description

本发明涉及制造含有细针状显微组织并具有优良断裂韧性及疲劳性能的钛和α钛合金与（α+β）钛合金材料的方法。

钛和钛合金由于其强度密度比高及耐蚀性优良，而在不同的材料应用如航空航天及汽车结构部件等方面均被采用，而且其应用范围还在扩大。通常，对这些材料所要求的性能，是良好的断裂韧性和高疲劳强度，满足上述要求的结构材料必须在金相上具有细小的显微组织。

钛和钛合金以板、丝、棒、管或型材形式供应，并且通常结合热加工和热处理来制造，但用现有技术中的各种方法，均难以制得具有均匀细致显微组织的产品。特别是，就工业纯钛而论，由于杂质含量有所限定，就难以均匀地加细显微组织。另一方面，α钛合金和（α+β）钛合金的缺点在于，适宜的加工温度范围窄得在加工过程中，既不能满足为得到非常精密的产品形状所需的良好加工性能要求，又不能满足形成细致显微组织的要求。

上述合金的已知制造方法，例子包括日本专利特公昭58-100663中所公开的方法（即在具有良好加工性能的β区进行粗加工，然后在（α+β）区进行精加工），以及日本专利特公昭63-4914中公开的方法（即在（α+β）区和窄温度范围内重复加热和加工，以此形成细等轴晶粒的显微组织）。

然而，在这些方法中，都必须在热加工性差的（α+β）区进行一步高序次加工，因此由于出现热撕裂等，而使生产率很差。此外，得到的显微组织也不够细。为此，在某些情况下，正如AMS4935E中所规定，精加工在易于加工的β区进行。在此情况下，也由于加工是在β区以高温进行，不仅使β晶粒本身生长成大尺寸，而且即使在随后进行淬火，也难以制得所需的细针状显微组织。

特别是，在钛和现有的α与（α+β）钛合金中，由于β转变点高（例如，JJS2级钛约为885℃，αTi-5Al-2.5Sn约为1040℃，以及（α+β）Ti-6Al-4V约为990℃），所以β相本身被粗晶化。另外，由于Ms点高（例如，JIS2级钛约为850℃，αTi-5Al-2.5Sn约为950℃，（α+β）Ti-6Al-4V约为850℃），而在自β区温度起冷却的过程中，针状马氏体相分解成（α+β）相。从而，按常规方法制得的材料，包含由粗化β相形成的粗层状α相和残余β相的混合组织。从诸如疲劳强度等性能的角度来看，这种材料不如具有细显微组织的材料。

此外，由于视材料尺寸而定，材料表面层和中心部分的可淬性有所不同。上述的不良可淬性不利地提供了多相组织。

如果打算使β转变点或Ms点降低来解决上述问题;则将补充合金元素如V、Cr和Mo和添加到α与（α+β）钛合金中，就是以满足此目的。然而，添加上述元素，使材料组成变得与所需的组成不同，使此方法不能使用。

由上面的说明可见，迄今尚未发现，有任何一种常规方法能有效地形成易于加工的显微组织，并能有效地将得到的显微组织转变成细针状显微组织。

本发明的一个目的，是提供一种制造钛和α钛合金与（α+β）钛合金材料的方法，该材料含有细针状显微组织，并具有优良的加工性能和疲劳性能，特别是高断裂韧性。

为了达到上述目的，本发明的组成部分如下。

本发明人研究了能易于掺入钛及α钛合金与（α+β）钛合金中，并易于从其中除去的氢的作用，结果获得如下发现。

特别是，当钛和α钛合金与（α+β）钛合金被氢化时，氢就溶于材料中，使β转变点降低。这就使加工在具有优良加工性的β区，以低于现有技术中所采用的温度进行成为可能，结果，β区的β晶粒的粗化可予抑制。此外，由于氢化使材料的可淬性得以改善，故可从材料表面到中心部分均匀地形成细针状马氏体显微组织，不需在热加工后自β区冷却时进行专门的淬火。接着材料在真空中加热，使材料脱氢，同时使材料具有包含针状显微组织的均匀细显微组织，从而得到具有优良疲劳强度，特别是优良断裂韧性的材料。

本发明就是以这样的新发现为基础完成的，而且其特征在于，将被0.02-2%（重量）的氢量所氢化的钛材料或者α钛合金或（α+β）钛合金材料，加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，使加热过的材料在上述温度范围内经受压下量为30%或大于30%的热加工，在β单相温度区结束所述的加工，将加工过的材料冷却到400℃或400℃以下的温度，在真空中将冷却过的材料退火。

此外，本发明的特征还在于，将被0.02-2%（重量）的氢量所氢化的钛材料或者α钛合金或（α+β）钛合金材料加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，将加热过的材料冷却到400℃或更低的温度，将冷却过的材料再加热到高于β转变点而又低于1100的温度，使再加热过的材料在所述温度范围内进行加工，在β单相温度区结束上述加工，将加工过的材料冷却到400℃或更低的温度，并在真空中将冷却过的材料退火。

图1是显示按本发明方法所制材料显微组织的显微照片。

图2是显示对比例中所制材料显微组织的显微照片。

本发明目标材料的例子，包括工业纯钛如JIS（日本工业标准）中规定的钛，α钛合金如Ti-5Al-2.5Sn，和（α+β）钛合金如Ti-6Al-4V。铸造材料如锭，经受过铸造、初轧、热轧、热挤压等的热加工材料，或冷加工材料，还有粉坯等均可作为材料来使用。

在本发明中，上述材料被0.2-2%（重量）的氢量所氢化并被处理。氢化可以在材料熔化的时候进行。作为选择，氢也可以通过将材料在氢气氛中加热这样的方式掺入。对氢化的方法没有特别的限制。

当将氢化过的材料加热到高于β转变点温度时，材料组分由于其在体心立方结构中的高扩数性而被均匀化，这种氢化过的材料用诸如轧制、挤压和锻造之类的方法进行热加工。在此情况下，如上所述，氢在材料中的溶解，使形成β单相所必需的温度范围向低温侧扩展，使在具有优良加工性的β区中，以低于现有技术中所用的温度进行热加工成为可能。这可以使热加工在不仅抑制β相粗化，而且也避免出现表面缺陷和开裂这样的状态下进行。

此外，当材料在热加工后自β区冷却时，由于β转变点和Ms点都低，因此可以通过抑制（α+β）扩散型转变及不需进行特殊淬火而改进可淬性，来制造含有细小且从材料表面到中心部分都均匀的针状马氏体组织的材料。在冷却时或冷却后，通过将应变施加在材料上及使氢化物沉淀，在氢化物本身中及在氢化物周围引入了密集的位错。当该材料在真空中退火时，氢被脱除。另外，此时在针状马氏体显微组织中，从位错部分形成重结晶的α相，同时针状显微组织被部分分割，形成含有针状显微组织的均匀显微组织，从而制得具有优良断裂韧性和疲劳强度的材料。

为了得到上述效果，必须使氢含量为0.02%（重量）或更高，使β转变点降低，在β转变点以上的温度下进行热加工，然后将之冷却到400℃或更低的温度。当氢含量超过2%（重量）时，材料变脆，这样就产生材料在加工时开裂的可能性。为此，将氢含量限制在上述数值。当在高于β转变点加热材料的温度太高时，由于β晶粒粗化，而难以得到预期的细显微组织。从而，限定加热温度的上限低于1100℃。对于热加工后自β区起进行的冷却，可使用炉冷、空冷和水淬中的任何一种。在下一步骤中进行的真空加热，应在冷却到400℃或更低温度时进行。当冷却在高于400℃时结束，然后又将材料再加热时，就不能进行足够的马氏体转变，从而不能形成所预期的细针状组织。

在本申请的第一项发明中，先将氢化过的材料加热到高β转变点的温度，然后进行热加工。在此情况下，考虑到材料显微组织中的粗晶粒夹杂，故而将压下量限制在30%或30%以上，以细化粗晶料。

在本申请的第二项发明中，先将氢化过的材料加热到高于β转变点的温度，冷却到400℃或400℃以下，再加热到β转变点以上的温度，然后进热加工。在此情况下，鉴于材料显微组织中有粗晶粒夹杂，而进行前面的加热和冷却步骤。由于显微组织经此热处理而得以改善，热加工中的压下量就可以小于30%，但较好的是，热加工以15%或15%以上的压下量进行。

从高于β转变点温度冷却材料，可以在从炉冷到水冷的广泛范围内进行。从而，即使材料截面大，也有可能通选择最佳冷却条件来形成均匀的细针状马氏体组织。

在热加工和冷却完毕后，使材料在真空中退火。在此情况下，真空度可以是大约13.3Pa或更小的减压，以便脱氢。真空度愈高，热处理时间愈短。较好的是，从实际观点出发，减压约为0.0133Pa。处理时间根据诸如材料厚度之类的因素而变。材料愈厚，处理时间愈长。此外，当针状显微组织通过退火，从高密度位错网络重结晶而被部分分割，形成均匀的细针状显微组织时，重结晶的α相就不会粗化。为此，处理温度和处理时间分别优先为500-900℃和100小时或100小时以下。

当β转变点和M₅点通过氢化已经降低时，才显示出本发明的效果。合适的氢含量随目标材料的材料组成而变。因此，为了降低β转变点和Ms转变点，氢含量对JIS2级纯钛优先为0.02%（重量）或更高，对Ti-5AL-2.5Sn优先为0.01%（重量）或更高，对Ti-6AL-4V优先为0.02%（重量）或更高。

由包括上述步骤的本发明方法制得的材料，具有均匀的细针状显微组织，并从而由于细显微组织而在其疲劳强度方面，特别由于针状显微组织而在断裂韧性方面，具有优良性能。

如上所述，在现有技术中，加工钛材料时必须采用高于β转变点的高温，致使组织粗化，从而很难制造具有上述针状显微组织的材料。相反，在本发明中，β转变点通过材料中钛的氢化而降低，因而可以顺利地在较低温度下进行加工，并形成均匀的细针状显微组织。

因此，本发明是制造具有优良加工性和断裂韧性材料的首次发明。

实施例1

将由Ti-6Al-4V组成的（α+β）钛合金方坯在750℃氢气氛中加热1-20小时，供以表1所示的不同氢含量，然后加热到不同温度，并以60%压下量进行热挤压，以制备直径为60mm的棒材，再以约1.2C/秒的冷却速度冷却（空冷）到室温。加工结束温度同加热温度。尔后，以0.0133Pa真空度，于700℃将该材料退火5小时。

观察各材料中心部分的显微组织，结果发现（示如表1），对于分别含氢0.2%、1.5%和2.1%的材料，当这些材料分别在910和1000℃下加工时，得到所预期的细针状显微组织。当氢含量低如0.005%时，在任何温度下都不形成所预期的显微组织。当加热温度为750℃，即低于β转变点时，由于加工在（α+β）相区进行，则得到等轴晶粒显微组织。此外，当材料加热到1100℃并随后加工时，由形成粗针状显微组织。当氢含量为2.1%时，在热挤压时产生表面开裂。

图1为显微照片（×200），其中示出2号试样经910℃热挤压及随之的真空退火后，中心部分的本发明代表性显微组织。

图2为显微照片（×200），其中示出作为对比例的1号试样经1100℃热挤压及随之的真空退火后，中心部分的粗针状显微组织。

对各经上述处理的2号试样（图1）和1号试样，在室温下测量其冲击值，结果发现，具有细针状显微组织的2号试样和具有粗针状显微组织的1号试样，冲击值分别为470KJ/m²和314KJ/m²，也即2号试样呈现比1号试样更高的冲击值。

因而，按照本发明，可以在广泛范围的条件下，稳定地制造具有均匀细针状显微组织的（α+β）钛合金材料。

实施例2

将以不同量氢所氢化的Ti-6Al-V（α+β）钛合金锭，加热到1000℃的β单相区，以约1.5℃/秒的冷却速度冷却（空冷）到室温，加热到表2中所示的各种温度，以40%的压下量热轧，制取厚度为5mm的板材，并以约2.0℃/秒的冷却速度冷却（空冷）到室温。加工结束温度基本相同加热温度。尔后，将材料在0.0133Pa真空及700下退火5小时。

观察各材料中心部分的显微组织，结果发现（示如表2），对于分别含氢0.2%、1.5%和2.1%的材料，当这些材料分别在910℃和1000℃下热轧时，得到所预期的细针状显微组织。当氢含量低如0.005%时，在任何温度下都不形成所预期的组织。当加热温度为750℃，即低于β转变点时，由于热轧在（α+β）相区进行，而得到等轴显微组织。此外，当材料加热到1100℃并随后热轧时，则形成粗针状显微组织。当氢含量为2.1%时，热轧过程中产生表面开裂。

实施例3

以同实施例2的方法，将由Ti-5Al-2.5Sn组成的α钛合金氢化，加热到1060℃的β单相区，以约1.5℃/秒的冷却速度冷却（空冷）到室温，加热到表3所示的各温度，以50%的压下量热轧。制取厚度为4mm的板材，并以约2.0℃/秒的冷却速度至室温。然后，在0.0133Pa真空中，于730℃将板材退火6小时。

观察各材料中心部分的显微组织，结果发现（示如表3），对于氢含量分别为0.3%、1.7%和2.2%的材料，当分别在960℃和1050℃轧制材料时，得到预期的细针状显微组织。当氢含量低如0.005%时，在任何温度下都不形成预期的组织。当加热温度分别为780和1050℃时。当氢含量低如0.005%时，而且加热温度为780，由于热轧在（α+β）两相区进行，而得到等轴晶粒显微组织。此外，当材料加热到1160℃并随后轧制时，则形成粗针状显微组织。当氢含量为2.2%时，热轧过程中产生表面开裂。

如上所述，按照本发明的方法，可以稳定地以工业规模制造现有技术中不能制得的，具有均匀细针状显微组织的钛和（α+β）钛合金材料，且所得到的材料具有优良的疲劳强度，特别是高断裂韧性，从工业观点看，这使本发明非常实用。

表1

试样氢含量，热轧温度℃

编号 %（重量） 750 910 1000 1000

1 0.005 等轴晶粒粗等轴粗针状粗针状

2 0.2 等轴晶粒细针状细针状粗针状

3 1.5 等轴晶粒细针状细针状粗针状

4 2.1 等轴晶粒细针状细针状粗针状

表2

氢含量热轧温度，℃

%（重量） 750 910 1000 1000

0.005 等轴晶粒粗等轴粗针状粗针状

0.2 等轴晶粒细针状细针状粗针状

1.5 等轴晶粒细针状细针状粗针状

2.1 等轴晶粒细针状细针状粗针状

表3

氢含量热轧温度℃

%（重量） 780 960 1050 1160

0.005 等轴晶粒粗等轴粗针头粗针状

0.3 等轴晶粒细针状细针状粗针状

1.7 等轴晶粒细针状细针状粗针状

2.2 等轴晶粒细针状细针状粗针状

Claims

1、一种制造具有细针状显微组织的钛和钛合金材料的方法，该方法包括，将被0.02-2%(重量)氢量所氢化的钛材料或者α或(α+β)钛合金材料加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，使加热过的材料在所述温度范围内，以30%或更高的压下量进行热加工，在β单相温度区结束所述加工，将加工过的材料冷却到400℃或更低的温度，在真空中将冷却过的材料退火，退火在真空度不低于0.0133pa、温度500-900℃、时间不大于100小时的条件下进行。

2、一种制造具有细针状显微理织的钛和钛合金材料的方法，该方法包括，将被0.02-2%（重量）氢量所氢化的钛材料或者α或（α+β）钛合金材料加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，将加热过的材料冷却到400℃或更低的温度，重新将冷却过的材料加热到高于β转变点而又低于1100℃的温度，使再加热过的材料以低于30%的压下量在所述温度范围内经受热加工，在β单相温度区结束所述的加工，将加工过的材料冷却到400或更低的温度，将冷却过的材料在真空中退火，退火在真空度不低于0.0133pa、温度500-900℃、时间不大于100小时的条件下进行。