CN1023495C - 细等轴显微组织钛和钛合金制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明生产具有细等轴显微组织的钛及钛合金，其中钛，α钛合金或(α+β)钛合金以0.02%-2ωt%的量氢化，必要时氢化材料进行预处理[即700℃(β相转变点)以上加热]和/或加工(即450-950℃或高于β相转变点，低于1100℃下加工)，然后在10-530℃或10-700℃(在高于β相转变点的加工情况下，)时效并脱氢和再结晶而得具有细显微组织的材料。

Description

本发明涉及疲劳强度和加工性优异的钛和钛合金制造方法，特别是细等轴显微组织钛，α钛合金或（α+β）钛合金制造方法。

钛及其合金用途很广，因其优异的强度/密度之比和抗腐蚀性而可用作航天材料，而且其应用还在不断扩大。大量需求钛以及α和（α+β）钛合金的原因是其高强度和延展性，但各领域的性能要求很严格，特别是航空航天领域，在易于引起环向应力的环境中应用，除了应具有优良的可加工性，还要具有优异的疲劳强度。因此而建立了严格的质量标准（如可参见AMS4967），以满足这些要求，材料的α晶粒必须具有细等轴。

由于对钛中杂质含量有限制，所以用常规加工和热处理可得到等轴显微组织，但难于均匀细化显微组织。

另一方面，结合采用热加工和处理常可制得上述领域所用产品，其形状各异（可为板、线、管、棒等），它们由α和（α+β）钛合金制成，但热加工步骤的缺点是满足以下两项要求的合适热加工温度范围太窄：（1）保证达到极精确产品形状的优良可加工性，（2）在产品中形成等轴显微组织。

而且，在上述温度范围内，显微组织对温度范围极敏感，例如 即使温度略有升高，晶粒也会长大，因此加工后的显微组织势必变得不均匀。而且，热加工形成的显微组织没有发生任何明显变化。

因此已提出了制造等轴显微组织α和（α+β）钛合金的方法，如已见于日本专利公报NO.6-4914的制造方法，其中在特定的窄温度区间内重复进行加热和加工，还有已见于日本专利公报NO.63-4908中的制造方法，其中热轧材料在高于β相转变点的温度下加热。然而，这些方法不能令人满意地获得材料的均匀细等轴显微组织，而且，前者的缺点还包括产量低，成本高。

用氢作钛合金中暂时合金元素以改善其可加工性和显微组织的技术已见于以下文献：

（1）U.Zwicker    et    al，US2892742（1959年6月30日出版）。

该专利说明了Al含量为6%或以上的α钛合金可通过氢化并使其氢含量为0.05-1.0wt%，以改善热加工性，最后，再真空脱氢，但没有提到细化显微组织。

（2）W.R.Kerr    et    al.，“Hydrogen    as    an    alloying    element    in    titanium（Hydrovac）”，Titanium，80，P.2477-2486。

这篇论文说明了将作为（α+β）钛合金例子的Ti-6Al-4V合金氢化可改善热加工性，这是由于降低了β相转变点，并可提供细化显微组织，以60%或更低的压下量锻造而进行热加工，锻造在低速柱塞活动系统中进行，柱塞速度1.27×10^-3或更低，也就是说这种加工并不是可用热轧等工艺而进行高强度加工的实用加工工艺。

（3）N.C.Birla    et    al.，“Anisotropy    control    through    the    use    of    hydrogen    in    Ti-6Al-4V    alloy”，Transactions    of    the    Indian    Institute    of    Metals，Vol.37，No.5，October    1984，P.631-635。

这篇论文说明了将作为（α+β）钛合金的Ti-6Al-4V合金氢化后进行热轧而改善抗拉强度的各向异性。但在该工艺中，氢化板990℃均化2小时，并在730℃进行50%热轧，其中经过几道次，每道次热轧后均化处理10分钟，每次的压下量为10%，这就使得该工艺不适用。

（4）D.Eylon    et    al.，US4820360（1989年4月11日）。

该专利说明了细化铸钛合金制品显微组织的方法，其中于780-1020℃在含氢气氛中加热铸品以使其氢化，将氢化铸品冷却至室温，其中采用5-40℃/min的可控速度，并在真空中650-750℃加热已冷却的氢化铸品以脱氢。

（5）D.Eylon    et    al.，US4832760（1989年5月23日）。

该专利说明了预合金化钛合金粉末压块显微组织的细化方法，其中包括于780-1020℃在含氢气氛中加热压块制品以进行氢化，以5-40℃的速度将压块制品冷却至室温，并在真空中于650-750℃下加热已冷却的氢化压块制品以脱氢。

（6）W.R.Kerr，“The    Effect    of    Hydrogen    as    a    Temporary    Alloying    Element    on    the    Micro-structure    and    Tensile    Properties    of    Ti-6Al-4V”，METALLURGICAL    TRANSAC- TIONS    A，Vol.16A，June    1985，P.1077-1087。

这篇论文中所述方法包括将作为（α+β）钛合金的Ti-6Al-4V合金氢化，在870℃下加热氢化合金，540-700℃下将加热合金进行共析转变，并于650-760℃下将转变合金脱氢，以便得到细等轴显微组织。

然而，上述现有技术均没有提供足够的细等轴显微组织，也就是说工业上试图稳定地制取强度，疲劳性能和可加工性等优良的钛和钛合金时，这种方法不能令人满意。

本发明的目的是以现有技术中不可能达到的程度制造细等轴显微组织钛，α钛合金和（α+β）钛合金，并提出工业上可稳定地制造强度，疲劳性能和可加工性等优良的上述材料的方法。

为达到上述目的，本发明构成如下。

具体地讲，本发明涉及钛以及α和（α+β）钛合金制造方法，其特征是其中包括于10-530℃将氢含量达0.02-2.0wt%的氢化材料进行时效处理，然后真空脱氢，并同时使材料再结晶。在这种情况下，时效之前，氢化材料可进行预处理，如在700℃或更高温度下加热，然后冷却。而且，本发明还提出另一种方法，其中包括450-950℃以30%或更高的压下量在（α+β）区域加工上述氢化材料，时效处理该材料，并使时效材料脱氢和再结晶。此外，本发明还包括另一种方法，其中包括将上述氢化材料进行热处理，也就是说，在高于β相转变点的温度下加热该材料，并将该加热材料冷却，然后进行上 述加工，时效和真空退火，钛，α钛合金和（α+β）钛合金的加工温度优选分别为450-800℃，600-950℃和550-900℃。本发明还提出另一种方法，其中包括在高于β相转变点和低于1100℃的温度下以30%或更高的压下量加工氢化材料，在β单相区域完成此加工，10-700℃下时效处理该加工材料，然后将此时效材料真空退火。在这种情况下，上述方法可包括热处理步骤，其中包括在高于β相转变点和低于1100℃的温度下加热上述氢化材料，然后将加热材料冷却至400℃或更低。

图1-7为显微图（×500），其中图1-5对应于本发明实施例，图6和7对应于比较例。

本发明可使钛以及α和（α+β）钛合金显微组织细等轴化，而同时又无需常规加工和热处理，并提供疲劳性能和可加工性等优异的材料。

为解决现有技术的上述问题，本发明人考虑到了易于掺入钛并易于从中脱除的氢，在这方面进行了许多研究，结果发现了以下事实。

（a）当钛以及α和（α+β）钛合金氢化后在相当低的温度下时效时，钛氢化物就会在材料中细化沉淀并在氢化物内，也在其周围区域引起高密度位错。对于这种沉淀，氢含量越高，并且时效在低温下进行的时间越长，结果越好。这使得氢化物以更细形态大量分散性沉淀，从而使上述位错密度更高，这种材料在真空中加热后脱氢并同时 从致密的位错区域形成大量再结晶核，从而，形成细等轴显微组织。

（b）当该材料在（α+β）两相区域或β单相区域于合适温度下加热后冷却时，氢在加热期间更均匀地溶解，致使冷却期间从稳定化并长大的β相形成细针状马氏显微组织，这使得氢化物更均匀更细地进行沉淀并同时在后续时效过程中于氢化物及其周围区域内引起高密度位错，从而在最终真空退火后得到更均匀更细的再结晶显微组织。

（c）当钛以及α和（α+β）钛合金氢化时，氢溶解，因此即使相当低温区域，具有优异可加工性的β相的比例也会提高。

因此，必要时在材料高于β相转变点温度下加热后冷却，而进行β相热处理后，可在低于现有技术所用温度下于（α+β）区域进行热加工，这可防止现有技术中相对高温下加工时出现的晶粒长大，而且在这种加工期间，还会有应力积聚和氢化物沉淀，因此可在材料中引起高密度位错。后续时效过程中，氢化物进一步沉淀而提高位错密度。这使得后续真空退火时的再结晶过程中可得到更细等轴显微组织。

（d）在钛以及α和（α+β）钛合金氢化时，氢溶解在材料中而降低了β相转变点。这使得在具有优异可加工性的β区域进行的加工可在低于现有技术所用温度下进行。因此，可在β区域进行的热加工过程中防止β晶粒粗化并可在β区域加工完成之后的冷却过程中形成细化针状马氏显微组织，这使细化氢化物在后续时效过程中得以沉 淀，因此而使显微组织中的晶粒得以细化。

以下详述本发明。

本发明人以不同的显微组织中晶粒细化所需氢含量，加热温度，加工温度，压下量，以及时效温度进行了一系列试验，从而完成了本发明。

本发明目的材料例子包括市售纯钛，如JIS（日本工业标准）所述钛，α钛合金，如Ti-5Al-2.5Sn，以及（α+β）钛合金，如Ti-6Al-4V。也可采用铸造材料，如锭，易于初轧，热轧，热冲压等处理的热加工材料或冷加工材料，以及粉末压块等。限制氢含量的原因如下，当氢含量低于0.02wt%时，则时效期间沉淀的氢化物量太少，不能在后续退火时形成要求的细等轴显微组织。另一方面，在氢含量超过2wt%时，时效期间氢化物会大量沉淀，但在这一阶段，材料易脆，这给材料处理时带来问题，以致不能进行后续真空退火。因此，将氢含量限定为0.02-2wt%，氢化方法取决于溶融时氢化，氢气氛中热处理等，但对氢化方法和条件没有特殊限制。

下述上述材料的时效工艺。

在时效温度低于10℃时，氢化物可细化沉淀，但需很长时间才能完成，这使该温度范围在工业上不实用。另一方面，在时效温度超过530℃，虽然可大量沉淀，但氢化物会粗化，而且，在温度太高时，氢化物会不符合要求地再次溶解，因此不可能在后续退火时形成要求的细等轴显微组织，所以说要将时效温度限定为10-530℃。尽管 对保持时间没有具体限制，但应当为1分钟至50小时（高温下短时间保持，低温下长时间保持）。时效方法的具体例子包括将材料从室温加热到时效温度并在该温度下保持;将材料保持在10℃或更高室温下;以及将材料从氢化温度，预处理温度或加工温度冷却至时效温度后于该温度下保持。

上述时效后，最后进行真空退火以脱氢并同时将材料再结晶。对退火条件没有特殊限制，可在加工后再结晶常用条件下进行，但优选的退火温度应尽可能低。具体地讲，退火温度和时间优选分别为500-900℃和100小时或更短。一定量以上的剩余氢为致脆的原因并可使产品特性劣化。真空度为约13Pa或更低的减压，真空度越高，退火时间越短。从实际角度看，优选减压为约1.3×10^-2Pa，残留气体为惰性气体。如氩气。

对上述时效之前必要时进行的预处理说明如下。

如上所述，时效之前的预处理可使最终真空退火时形成的显微组织更均匀并更细化，预处理温度低于700℃时，β相量很少并且细化时形成上述马氏显微组织的效果很差。因此，预处理温度限定为700℃或更高，而在预处理温度为700℃或更高时，β相量增加并根据氢含量而形成β单相区域，因此可得到上述更细化显微组织，对预处理温度上限没有具体限制，但优选上限为约1100℃，这是从热处理炉表面氧化和操作性能考虑的。尽管对保持时间没有特殊限制，但必须至少1分钟。至于保持后的冷却，可采取炉冷，空冷和水骤冷等任 何方法，但优选用更高的冷却速度。冷却的最终温度优选为530℃或更低。

本发明上述方法可用于具有针状显微组织的材料，如上述市售纯钛，α钛合金和（α+β）钛合金或上述焊接材料，铜焊材料以及焊接管产品。

具体地讲，具有粗针显微组织的上述材料和产品被氢化至含氢量为0.02-2wt%，必要时氢化材料还进行预处理，如在700℃或更高温度下加热后冷却。预处理材料在10-530℃下时效后真空退火以脱氢并同时让材料再结晶，因此可形成细等轴显微组织，以改善疲劳性能和可加工性等。

在氢气氛中热处理材料即可进行氢化。对于焊接结构材料，可在包括惰性气，如氩气与氢气的混合物气氛中进行焊接，或将材料氢化后再焊接。

下述必要时在时效前进行的（α+β）区域的加工。

在本发明中，通过轧制，压制和锻造等工艺进行加工。如上所述，材料的氢化促使（α+β）区域可在低温下进行加工。氢含量越高，上述趋势就越大，但（α+β）区域在低温侧进行加工应有合适的温度范围。具体地讲，温度低于450℃时，加工期间会出现裂纹。另一方面，温度低于950℃时，根据材料或氢含量不同又可能形成β区域。因此，加工温度限于450-950℃。

目的材料，即钛，（α+β）钛合金和α钛合金可加工性相互稍有不 同。以钛，（α+β）钛合金和α钛合金的顺序，可加工性略为变差，而β相转变点以此顺序升高。因此，优选的是钛，（α+β）钛合金和α钛合金在每一（α+β）区域分别于450-800℃低温，550-900℃和600-950-℃高温下进行加工。

根据加工前是否进行β热处理，可改变上述加工温度范围的压下量，在不进行β热处理的工艺中〔权利要求（3）的情况〕，以30%或更高的压下量进行加工就可通过时效后进行的再结晶退火而形成细等轴再结晶晶粒。

在先期进行β热处理的工艺中〔权利要求（4）的情形〕，上述压下量限制就没有必要了。具体地讲，氢化材料在高于β相转变点的温度下加热后冷却时，材料也变成细化显微组织，因此即使这种材料加工时压下量低于30%，也可通过后续时效和真空退火而制得细化再结晶晶粒。压下量10%或以上，效果很显著。

“压下量”一词意指一次或多次加工的总压下量。

在进行β相转变时，材料在高于β相转变点的温度下加热后冷却以形成细化显微组织，在这种情况下加热温度优选应尽可能低。保持时间优选为1-60分钟。冷却可经过炉冷，空冷和水骤冷等任何工艺进行，但冷却速度越高，效果越好，当冷却的最终温度低于β相转变点约300℃时，就可得到细化显微组织。在材料于β相转变点以上加热后，加工方法包括冷却过程中于上述加工温度范围内加工，在冷却过程中材料再加热或将冷至室温的材料再加热后于上述加工温度 范围内加工，或在冷却过程中将材料保持在加热温度范围内某一温度并于该温度进行加工。

对上述压下量的上限没有特别限制，且该压下量可在通常的可操作区间进行。此外，对加工时间也没有特别限制，加工后，冷却到室温或在冷却过程中进行时效处理，在这种情况下，对冷却速度没有特别限制，但冷却速度越高，其效果越好。时效之后，如上所述，材料真空退火。

下述必要时在上述时效处理之前进行的β区域加工。

在这种情况下，氢化降低β相转变点，以在具有优异可加工性的β单相区域于某一温度进行加工。

具体地讲，加工在高于β相转变点的温度下进行，并在β区域完成。当温度在β相转变点以上升得太高时，β晶粒变粗，这使得作为最终目的的产品的细等轴显微组织难于得到。为此，加热温度限于1100℃以下，如上所述，为了在冷却过程中形成细化针状马氏显微组织，加工在β区域完成。

在权利要求8所述的方法中，氢化材料在高于β相转变点的温度下加热，以进行上述加工。在这种情况下，考虑到在材料的显微组织中包含了粗晶粒，可把压下量限制在30%或更高，以便细化粗晶粒。

在权利要求9所述方法中，使氢化材料预热，即在β相转变点以上的温度下加热后冷却到400℃或更低，然后再于β相转变点以上 加热而进行加工。在这种情况下，考虑到该材料的显微组织中含有粗晶粒，可进行作为预处理步骤的β热处理。因为显微组织通过这种处理得以细化，所以在上述加工时压下量可以为30%或更低，但当压下量达到15%或更高时，效果很显著。

“压下量”指一次或多次加工的总压下量。

在本发明中，作为预处理的β热处理过程中的冷却可按炉冷，空冷和水骤冷等任一方法进行，但冷却速度越高，细化显微组织效果越好。

完成上述加工之后，材料进行上述时效和真空退火处理，在这种情况下，与在（α+β）区域中进行的加工相反，时效温度的上限可升至700℃，这样可缩短时效时间，但当时效温度为530℃或更低时，显微组织细化效果更显著。

在上述本发明中，若由于先前的β晶粒边界仍留有粗α相而在真空退火后的材料显微组织中出现轻度不均匀，则可再进行一次或两次冷加工-退火过程，以均化显微组织。

此外，在本发明中，本发明的处理过程重复二次或多次。这样可得到更细等轴显微组织。

如上所述，本发明的每一种方法都能以工业规模稳定地制得具有细等轴显微组织的钛和钛合金材料，从而可稳定地提供上述具有优异强度，抗疲劳性以及可加工性等的材料。

实施例1

使用一块Ti-6Al-4V板（厚4mm）作为代表性的（α+β）合金进行试验，下述实验结果，该板没有经过时效预处理，其中以各种不同的氢含量和时效条件进行，所有供试材料真空中700℃退火5小时，以便脱氢并再结晶。

实验条件以及对最后材料的显微组织评价结果列于表Ⅰ。氢含量为2.2%（重量）的第25号材料变得很脆，并且在时效期间出现裂纹，因此不能进行后续的真空退火处理。图1是本发明的实施例（表1中的第14号材料）显微图，其中，具有0.9%（重量）的含氢量且作为显微组织的代表性例子的材料500℃时效处理8小时，然后真空中700℃退火5小时，使该材料脱氢，图6是对比材料显微图，该对比材料是在不加氢的情况下通过重复进行加热和热轧，然后使上述热处理材料退火以再结晶而制得的。由此可以看出，按照本发明，可以得到具有细等轴显微组织的材料。

对钛（JIS2级）和Ti-5Al-2.5Sn合金也进行了如上所述实验，所不同的是，作为最后步骤而在真空中进行的退火是使该材料在600℃下保持1小时，实验条件和结果列于表2和表3中，从列出的结果中可以看出，已达到与上述相同的效果。

表1

Ti-6Al-4V合金的实验结果

类别    实验    实验条件    对显微组织的评

序号    价结果

氢含量    时效温度    时效时间    粒度    纵横比

（重量%）    （℃）    （小时）    （μm）

本发明    1    0.02    500    20    6    1.1

2    0.04    500    10    5    1.0

3    0.2    300    15    3    1.1

4    0.2    400    8    3    1.1

5    0.2    500    3    4    1.0

6    0.9    20    40    3    1.1

7    0.9    50    30    3    1.1

8    0.9    100    20    2    1.1

9    0.9    300    8    2    1.0

10    0.9    400    5    2    1.0

11    0.9    500    0.1    5    1.1

12    0.9    500    0.5    4    1.1

13    0.9    500    2    3    1.0

14    0.9    500    8    2    1.0

15    1.0    400    3    2    1.0

16    1.0    500    0.5    3.7    1.1

17    1.0    500    2    2.8    1.0

18    1.0    500    8    1.8    1.0

19    1.5    400    3    2    1.0

20    1.5    500    1    3    1.0

21    2.0    100    15    2    1.0

对比物    22    0.01    500    20    12    1.4

23    0.9    0    50    10    1.4

24    0.9    550    8    13    1.2

25    2.2    100    15    -    -

表2

钛（JIS2级）的实验结果

类别    实验    实验条件    对显微组织的评价

序号    结果

氢含量    时效温度    时效时间    粒度    纵横比

（重量%）    （°）    （小时）    （μm）

本发明    1    0.02    400    15    8    1.1

2    0.2    250    8    7    1.0

3    0.2    400    5    8    1.0

4    0.5    20    40    9    1.1

5    0.5    100    10    6    1.1

6    0.5    200    8    5    1.1

7    0.5    400    2    6    1.0

对比物    8    0.01    400    15    19    1.1

9    0.5    0    50    15    1.1

10    0.5    550    2    20    1.0

表3

Ti-5Al-2.5Sn的实验结果

类别    实验    实验条件    对显微组织的评价

序号    结果

氢含量    时效温度    时效时间    粒度    纵横比

（重量%）    （°）    （小时）    （μm）

本发明    1    0.02    500    20    7    1.1

2    0.2    500    3    5    1.0

3    0.9    300    8    3    1.1

4    0.9    500    2    4    1.0

5    1.0    300    6    3    1.0

6    1.0    500    1    4    1.0

对比物    7    0.01    500    20    14    1.3

8    0.9    0    50    12    1.5

9    0.9    550    2    15    1.2

实施例2

用一块Ti-6Al-4V板（厚4mm）作为（α+β）钛合金的代表进行实验，下面将叙述其实验结果，其中除加氢量和时效条件不同外，该板经过不同温度预处理。所有供试材料都在真空中于700℃退火5小时，以便脱氢和再结晶。

实验条件和对最后制得的材料的显微组织评价结果列于表4。氢含量为2.2%（重量）的材料（表4中的第24号）变得很脆，且在时效过程中出现裂纹，因此不能后续进行真空退火。图2是本发明实施例的显微图，其中含氢量为1.0%（重量）且作为该显微组织的代表性例子的材料在830℃预处理并在500℃下时效8小时后在真空中于700℃退火5小时以便脱氢和再结晶。图6是对比材料的显微图，该对比材料是在没有氢化的情况下，通过重复加热和热轧后使这样处理的材料退火以使其再结晶而制得的。由此，依照本发明可制得具有细等轴显微组织的材料。

对钛（JIS2级）和作为α钛合金的代表性例子的Ti-5Al-2.5Sn进行了与上述相同的实验，所不同的是，作为最后步骤而在真空中对钛进行的退火处理是使该材料在600℃下保持1小时。其实验条件和结果列于表5和6。从这些结果中可以看出，得到的结果与上述实验相同。

表4

对Ti-6Al-4V合金的实验结果（进行了预处理）

类别    实验序号    实验条件    对显微组织

的评价结果

氢含量    预处理温    时效温度    时效时间    粒度    纵横比

（重量%）    度（℃）    （℃）    （小时）    （μm）

本发明    1    0.02    1050    500    10    4    1.0

2    0.2    900    300    15    2    1.1

3    0.2    900    400    8    2    1.1

4    0.2    1000    500    3    3    1.0

5    1.0    850    20    40    2    1.1

6    1.0    850    50    30    2    1.0

7    1.0    950    100    20    1.5    1.1

8    1.0    700    300    8    1.5    1.0

9    1.0    830    400    3    1.5    1.0

10    1.0    750    500    0.1    4    1.1

11    1.0    800    500    0.5    3    1.0

12    1.0    950    500    0.5    2.5    1.0

13    1.0    750    500    2    2.5    1.0

14    1.0    830    500    2    2    1.0

15    1.0    750    500    8    1.5    1.0

16    1.0    830    500    8    1    1.0

17    1.5    850    400    3    1.5    1.0

18    1.5    850    500    1    2    1.0

19    2.0    850    100    15    1.5    1.0

对比物    20    0.01    750    500    10    12    1.3

21    1.0    650    500    8    10    1.2

22    1.0    850    0    50    9    1.4

23    1.0    750    550    8    12    1.2

24    2.2    850    100    15    -    -

实施例3

作为（α+β）钛合金代表的Ti-6Al-4V合金板进行了氢化，以使它们的氢含量分别为0.01%，0.05%，0.2%，0.5%，0.9%，1.5%和2.2%（重量），使每块板都在500℃，600℃，700℃和800℃下加热，然后进行热轧，其压下量为30%，60%，70%和80%。热轧之后，这些材料被冷却到室温，再加热到500℃，在该温度下保持8小时以便时效，然后在1.3×10^-2Pa的真空中于700℃加热1小时，以使其脱氢和再结晶。

对这种经热轧，时效和在真空中退火处理的材料的显微组织进行评价的结果列于表7-12。经氢化以使其氢含量为0.05%，0.2%，0.5%，0.9%和1.0%（重量），并经600℃，700℃和800℃下以压下量为30%或更大热轧的材料具有细等轴显微组织。图3是代表性例子的显微图，其中氢含量为0.2%（重量）的材料在750℃下进行热轧，其压下量为80%。进行热轧并冷却到室温后，其氢含量为2.2%（重量）的材料变得很脆，这使其后处理不可能进行。

图7是对比材料的显微图，这种对比材料是通过常规方法，即950℃下以80%压下量对不含氢的Ti-6Al-4V合金进行再结晶而制得的。

与用常规方法制得的材料相比，按本发明制得的材料具有更细等轴显微组织和优越的耐疲劳强度以及可加工性。

实施例4

使氢含量为0.2%（重量）的氢化Ti-6Al-4V〔（α+β）型〕板进行β热处理，即在上述氢含量下于高于β相转变点的850℃和950℃加热，再空冷至室温，然后在压下量为22%，40%，60%和80%时，于500℃，600℃，700℃，750℃和800℃下热轧。之后使这批材料冷却至室温、再在500℃加热，在该温度保持8小时以便时效，并在1.3×10^-2Pa的真空中于700℃加热1小时，以使其脱氢和再结晶。上述材料的显微组织评价结果列于表13和14。所有这些在600℃，700℃，750℃和800℃下热轧的材料在所有压下量情况下均有细等轴显微组织。

实施例5

（1）具有不同氢含量的氢化Ti-6Al-4V合金〔（α+β）〕板进行β热处理，即对应于上述氢含量，使其在高于β相转变点的温度下加热，然后空冷至室温。热处理后的材料和上述未经β热处理的材料在750℃下热轧，其压下量为60%，以制得厚4mm的板，然后，这些板在不同条件下时效，并在1.3×10^-2Pa的真空中于730℃加热5小时，使其脱氢和再结晶。最终产品的粒度和纵横比与β热处理温度和时效条件一起列于表15。图4是示于表15中的本发明第16号材料的显微图。氢含量为2.2%（重量）的材料也在上述条件下热轧，但这种材料冷却后变得很脆，以致于不能进行后续处理。

很显然，按本发明可制得具有细等轴显微组织的（α+β）钛合金。

（2）使JIS2级钛按上述（1）中的方式进行热处理使其时效，然后在1.3×10^-2Pa真空中于630℃退火5小时，以使其脱氢和再结晶。其结果列于表16，从这些结果可看出按照本发明可以制得具有细等轴显微组织的钛。

（3）用Ti-5Al-2.5Sn合金作为α钛合金的代表，使其按上述（1）中所述方式进行处理，直至完成最后处理，其结果列于表17，从这些结果可看出按本发明可以制得具有细等轴显微组织的α钛合金。

表15

对Ti-6Al-4V合金的实验结果

类别    实验    氢含量    β热处理    时效条件    粒度    纵横比

序号    （重量%）    温度（℃）    温度    时间    （μm）

（℃）    （小时）

本发明    1    0.03    -    500    10    6    1.1

2    0.03    1000    500    10    5    1.0

3    0.15    900    300    15    3    1.1

4    0.15    -    400    8    5    1.1

5    0.15    900    400    8    4    1.0

6    0.15    900    500    3    5    1.0

7    0.4    860    20    40    ＜1    1.1

8    0.4    860    50    30    ＜1    1.0

9    0.4    860    100    20    1    1.1

10    0.4    860    300    8    2    1.0

11    0.4    860    400    5    3    1.0

12    0.4    -    500    0.1    6    1.1

13    0.4    860    500    0.1    5    1.1

14    0.4    860    500    0.5    5    1.1

15    0.4    860    500    2    4    1.0

16    0.4    860    500    8    3    1.0

17    2.0    830    100    15    ＜1    1.0

对比物    18    0.01    1040    500    15    11    1.4

19    0.4    -    600    8    16    1.3

20    0.4    860    600    8    14    1.2

21    2.2    830    100    15    -    -

实施例6

（1）代表（α+β）钛合金的Ti-6Al-4V合金板在1大气压的氢气氛中于800℃加热1-40小时，以使其具有示于表18的氢含量并在表18所示温度下进行热轧，压下量为60%，从而制得一批厚6mm的厚板，热轧之后，使这些板冷却至室温，在500℃保持8小时使其时效。并在真空中于700℃退火10小时，以使其脱氢和再结晶。

观察了每种材料中间部分的显微组织，其结果列于表18，从中可以看出，通过使含氢量为0.25%，1.6%和2.1%（重量）的材料在β区域于910℃和1000℃加热使热轧和时效后所制得的材料具有要求的细等轴显微组织。

氢含量为0.25%（重量）的材料在910℃下热轧，在500℃下对该热轧后材料进行8小时时效并于真空中使该时效后的材料退火，经上述处理后的材料的代表性显微组织示于图5中，氢含量低至0.006%的材料在任何温度下都没有产生要求的显微组织。氢含量为0.25%，1.6%和2.1%（重量）的材料的显微组织经1100℃热轧而得以一定程度细化。但从这些材料不能得到要求的显微组织，这是因为起始的β晶粒粗。氢含量为2.1%的材料时效后在处理过程中出现裂纹。

（2）代表（α+β）钛合金的Ti-6Al-4V合金块在1大气压下氢气氛中于850℃加热2-30小时，以制备氢含量示于表19的氢化材料并于950℃以80%的压下量热冲压，以制备直径为40mm的园形棒条。热冲压后，使该园棒条冷却至室温，然后在表19中所示温度下保持8小时以使其时效。此后该园棒在真空中于750℃退火15小时，以使其脱氢和再结晶。观察了每种材料中间部分的显微组织。如表19所示，当时效温度为50℃，300℃和500℃时，氢含量为0.21%，1.3%和2.2%（重量）的材料产生了要求的细等轴显微组织。氢含量低至0.007%（重量）的材料在任何时效温度下，都没有产生要求的显微组织。对任何氢含量的材料而言，在0℃下时效后具有不均匀显微组织，而在800℃下时效后则具有粗等轴显微组织。氢含量为2.2%（重量）的材料时效后在处理过程中出现裂纹。

JIS2级工业纯钛进行如下处理，即按如上述（2）中描述的相同方式进行时效，然后在1.3×10^-2Pa真空中于650℃退火3小时，以使其脱氢和再结晶，结果发现按本发明可得到具有细等轴显微组织的JIS2级纯钛。

实例7

代表α钛合金的Ti-5Al-2.5Sn合金块在1大气压的氢气氛中于850℃加热1-24小时，以制备氢含量示于表20中的氢化材料，然后进行β热处理，即在1000℃加热2小时并随后空冷至室温。此后这批材料在表20中所示温度下以40%的压下量热轧，以制得8mm厚板，热轧之后，这些板冷却至500℃，在该温度下保持8小时以使其时效，然后，使该时效后的板在真空中于700℃退火10小时，以使其脱氢和再结晶。

观察了每种材料中间部分显微组织，其结果示于表20，从这些结果中发现，对氢含量为0.20%、1.4%和2.2%（重量）的材料在β区域于940℃和1020℃下进行加热和热轧后时效所制得的板具有要求的细等轴显微组织，氢含量低至0.007%（重量）的材料在任何温度下都没有产生要求的显微组织。在1120℃下热轧氢含量为0.20%，1.4%和2.2%（重量）的材料，使其得以一定程度细化，但因其最初β晶粒粗，所以仍未得到要求显微组织。氢含量为2.2%（重量）的材料在时效后的操作中出现裂纹。

实施例8

代表（α+β）钛合金的Ti-6Al-4V合金板（厚4mm）对边焊接制得的焊接构件材料进行改变氢含量和时效温度的实验（时效时间为8小时）。所有这些材料都在真空中于700℃退火5小时，以使其脱氢和再结晶。

实验条件和最后得到的焊接件的焊接金属区和热作用区的显微组织评价结果列于表21。其氢含量为2.1%（重量）的材料时效后很脆，因此很难于处理，使得后续退火不能进行。因此很显然，按本发明可制得具有细等轴显微组织的材料。

在上述实施例1和2中，实验是针对片状材料进行的，但对不同形状的材料如板，棒条和线，铸造材料和粉末压块，都观察到了相同的效果。在上述实施例3-7中，实验是针对板的热轧和块的热冲压进行的，但坯条和粉坯用作加工材料且用锻压法代替热冲击方法时，也观察到了相同的效果。

本发明并不仅限于上述实施例。

Claims (9)

1、具有细等轴显微组织的钛和钛合金材料制造方法，其中包括以0.02%-2ωt%氢气量氢化钛，α钛合金或(α+β)钛合金，10-530℃时效氢化材料并让该材料真空脱氢，同时使材料再结晶。

2、权利要求1的制造方法，其中氢化钛，α钛合金或（α+β）钛合金进行预处理，其中于700-1100℃加热后冷却，之后进行所说时效。

3、权利要求1的制造方法，其中氢化钛，α钛合金或（α+β）钛合金在（α+β）区域于450-950℃以30%或更高的压下量加工后进行所说时效。

4、权利要求1的制造方法，其中氢化钛，α钛合金或（α+β）钛合金进行热处理，其中材料在高于β相转变点的温度下加工后冷却，在450-950℃于（α+β）区域里加工，之后进行所说时效。

5、权利要求3或4的制造方法，其中（α+β）区域钛加工温度450-800℃。

6、权利要求3或4的制造方法，其中（α+β）区域α钛合金加工温度600-950℃。

7、权利要求3或4的制造方法，其中（α+β）区域（α+β）钛合金加工温度550-900℃。

8、权利要求1的制造方法，其中氢化钛，α钛合金或（α+β）钛合金在高于β相转变点，低于1100℃的温度下以30%或更高的压下量进行加工并在β单相区域结束，然后在10-700℃下进行时效。

9、权利要求1的制造方法，其中氢化钛，α钛合金或（α+β）钛合金在高于β相转变点，低于1100℃的温度下加热后冷却至400℃或更低而进行热处理，该热处理材料在高于β相转变点，低于1100℃的温度下加工并在β单相区域结束，然后在10-700℃下进行所说时效。

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