專利名稱：制造具細針狀顯微組織的鈦和鈦合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造含有細針狀顯微組織并具有優(yōu)良斷裂韌性及疲勞性能的鈦和α鈦合金與(α+β)鈦合金材料的方法。
鈦和鈦合金由于其強度密度比高及耐蝕性優(yōu)良，而在不同的材料應(yīng)用如航空航天及汽車結(jié)構(gòu)部件等方面均被采用，而且其應(yīng)用范圍還在擴大。通常，對這些材料所要求的性能，是良好的斷裂韌性和高疲勞強度，滿足上述要求的結(jié)構(gòu)材料必須在金相上具有細小的顯微組織。
鈦和鈦合金以板、絲、棒、管或型材形式供應(yīng)，并且通常結(jié)合熱加工和熱處理來制造，但用現(xiàn)有技術(shù)中的各種方法，均難以制得具有均勻細致顯微組織的產(chǎn)品。特別是，就工業(yè)純鈦而論，由于雜質(zhì)含量有所限定，就難以均勻地加細顯微組織。另一方面，α鈦合金和(α+β)鈦合金的缺點在于，適宜的加工溫度范圍窄得在加工過程中，既不能滿足為得到非常精密的產(chǎn)品形狀所需的良好加工性能要求，又不能滿足形成細致顯微組織的要求。
上述合金的已知制造方法，例子包括日本專利說明書58-100663中所公開的方法(即在具有良好加工性能的β區(qū)進行粗加工，然后在(α+β)區(qū)進行精加工)，以及日本專利說明書63-4914中公開的方法(即在(α+β)區(qū)和窄溫度范圍內(nèi)重復(fù)加熱和加工，以此形成細等軸晶粒的顯微組織)。
然而，在這些方法中，都必須在熱加工性差的(α+β)區(qū)進行一步高序次加工，因此由于出現(xiàn)熱撕裂等，而使生產(chǎn)率很差。此外，得到的顯微組織也不夠細。為此，在某些情況下，正如AMS4935E中所規(guī)定，精加工在易于加工的β區(qū)進行。在此情況下，也由于加工是在β區(qū)以高溫進行，不僅使β晶粒本身生長成大尺寸，而且即使在隨后進行淬火，也難以制得所需的細針狀顯微組織。
特別是，在鈦和現(xiàn)有的α與(α+β)鈦合金中，由于β轉(zhuǎn)變點高(例如，JIS2級鈦約為885℃，αTi-5Al-2.5Sn約為1040℃，以及(α+β)Ti-6Al-4V約為990℃)，所以β相本身被粗晶化。另外，由于Ms點高(例如，JIS2級鈦約為850℃，αTi-5Al-2.5Sn約為950℃，(α+β)Ti-6Al-4V約為850℃)，而在自β區(qū)溫度起冷卻的過程中，針狀馬氏體相分散成(α+β)相。從而，按常規(guī)方法制得的材料，包含由粗化β相形成的粗層狀α相和殘余β相的混合組織。從諸如疲勞強度等性能的角度來看，這種材料不如具有細顯微組織的材料。
此外，由于視材料尺寸而定，材料表面層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組織。
如果打算使β轉(zhuǎn)變點或Ms點降低來解決上述問題;則將補充合金元素如V、Cr和Mo和添加到α與(α+β)鈦合金中，就是以滿足此目的。然而，添加上述元素，使材料組成變得與所需的組成不同，使此方法不能使用。
由上面的說明可見，迄今尚未發(fā)現(xiàn)，有任何一種常規(guī)方法能有效地形成易于加工的顯微組織，并能有效地將得到的顯微組織轉(zhuǎn)變成細針狀顯微組織。
本發(fā)明的一個目的，是提供一種制造鈦和α鈦合金與(α+β)鈦合金材料的方法，該材料含有細針狀顯微組織，并具有優(yōu)良的加工性和疲勞性能，特別是高斷裂韌性。
為了達到上述目的，本發(fā)明的組成部分如下。
本發(fā)明人研究了能易于摻入鈦及α鈦合金與(α+β)鈦合金中，并易于從其中除去的氫的作用，結(jié)果獲得如下發(fā)現(xiàn)。
特別是，當鈦和α鈦合金與(α+β)鈦合金被氫化時，氫就溶于材料中，使β轉(zhuǎn)變點降低。這就使加工在具有優(yōu)良加工性的β區(qū)，以低于現(xiàn)有技術(shù)中所采用的溫度進行成為可能，結(jié)果，β區(qū)的β晶粒的粗化可予抑制。此外，由于氫化使材料的可淬性得以改善，故可從材料表面到中心部分均勻地形成細針狀馬氏體顯微組織，不需在熱加工后自β區(qū)冷卻時進行專門的淬火。材料在真空中接續(xù)加熱，使材料脫氫，同時使材料具有包含針狀顯微組織的均勻細顯微組織，從而得到具有優(yōu)良疲勞強度，特別是優(yōu)良斷裂韌性的材料。
本發(fā)明就是以這樣的新發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)完成的，而且其特征在于，將被0.02-2%(重量)的氫量所氫化的鈦材料或者α鈦合金或(α+β)鈦合金材料，加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，使加熱過的材料在上述溫度范圍內(nèi)經(jīng)受壓下量為30%或大于30%的熱加工，在β單相溫度區(qū)結(jié)束所述的加工，將加工過的材料冷卻到400℃或400℃以下的溫度，在真空中將冷卻過的材料退火。
此外，本發(fā)明的特征還在于，將被0.02-2%(重量)的氫量所氫化的鈦材料或者α鈦合金或(α+β)鈦合金材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，將加熱過的材料冷卻到400℃或更低的溫度，將冷卻過的材料再加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100的溫度，使再加熱過的材料在所述溫度范圍內(nèi)進行加工，在β單相溫度區(qū)結(jié)束上述加工，將加工過的材料冷卻到400℃或更低的溫度，并在真空中將冷卻過的材料退火。


圖1是顯示按本發(fā)明方法所制材料顯微組織的顯微照片。
圖2是顯示對比例中所制材料顯微組織的顯微照片。
本發(fā)明目標材料的例子，包括工業(yè)純鈦如JIS(日本工業(yè)標準)中規(guī)定的鈦，α鈦合金如Ti-5Al-2.5Sn，和(α+β)鈦合金如Ti-6Al-4V。鑄造材料如錠，經(jīng)受過鑄造、初軋、熱軋、熱擠壓等的熱加工材料，或冷加工材料，還有粉坯等均可作為材料來使用。
在本發(fā)明中，上述材料被0.2-2%(重量)的氫量所氫化并被處理。氫化可以在材料熔化的時候進行。作為選擇，氫也可以通過將材料在氫氣氛中加熱這樣的方式摻入。對氫化的方法沒有特別的限制。
當將氫化過的材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點溫度時，材料組分由于其在體心立方結(jié)構(gòu)中的高擴數(shù)性而被均勻化，這種氫化過的材料用諸如軋制、擠壓和鍛造之類的方法進行熱加工。在此情況下，如上所述，氫在材料中的溶解，使形成β單相所必需的溫度范圍向低溫側(cè)擴展，使在具有優(yōu)良加工性的β區(qū)中，以低于現(xiàn)有技術(shù)中所用的溫度進行熱加工成為可能。這可以使熱加工在不僅抑制β相粗化，而且也避免出現(xiàn)表面缺陷和開裂這樣的狀態(tài)下進行。
此外，當材料在熱加工后自β區(qū)冷卻時，由于β轉(zhuǎn)變點和Ms點都低，因此可以通過抑制(α+β)擴散型轉(zhuǎn)變及不需進行特殊淬火而改進可淬性，來制造含有細小且從材料表面到中心部分都均勻的針狀馬氏體組織的材料。在冷卻時或冷卻后，通過將應(yīng)變施加在材料上及使氫化物沉淀，在氫化物本身中及在氫化物周圍引入了密集的位錯。當該材料在真空中退火時，氫被脫除。另外，此時在針狀馬氏體顯微組織中，從位錯部分形成重結(jié)晶的α相，同時針狀顯微組織被部分分割，形成含有針狀顯微組織的均勻顯微組織，從而制得具有優(yōu)良斷裂韌性和疲勞強度的材料。
為了得到上述效果，必須使氫含量為0.02%(重量)或更高，使β轉(zhuǎn)變點降低，在β轉(zhuǎn)變點以上的溫度下進行熱加工，然后將之冷卻到400℃或更低的溫度。當氫含量超過2%(重量)時，材料變脆，這樣就產(chǎn)生材料在加工時開裂的可能性。為此，將氫含量限制在上述數(shù)值。當在高于β轉(zhuǎn)變點加熱材料的溫度太高時，由于β晶粒粗化，而難免預(yù)期的細顯微組織。從而，限定加熱溫度的上限低于1100℃。對于熱加工后自β區(qū)起進行的冷卻，可使用爐冷、空冷和水淬中的任何一種。在下一步驟中進行的真空加熱，應(yīng)在冷卻到400℃或更低溫度時進行。當冷卻在高于400℃時結(jié)束，然后又將材料再加熱時，就不能進行足夠的馬氏體轉(zhuǎn)變，從而不能形成所預(yù)期的細針狀組織。
在本申請的第一項發(fā)明中，先將氫化過的材料加熱到高β轉(zhuǎn)變點的溫度，然后進行熱加工。在此情況下，考慮到材料顯微組織中的粗晶粒夾雜，故而將壓下量限制在30%或30%以上，以細化粗晶粒。
在本申請的第二項發(fā)明中，先將氫化過的材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點的溫度，冷卻到400℃或400℃以下，再加熱到β轉(zhuǎn)變點以上的溫度，然后進行熱加工。在此情況下，鑒于材料顯微組織中的粗晶粒夾雜，而進行前面的加熱和冷卻步驟。由于顯微組織經(jīng)此熱處理而得以改善，熱加工中的壓下量就可以小于30%，但較好的是，熱加工以15%或15%以上的壓下量進行。
從高于β轉(zhuǎn)變點溫度冷卻材料，可以在從爐冷到水冷的廣泛范圍內(nèi)進行。從而，即使材料截面大，也有可能通選擇最佳冷卻條件來形成均勻的細針狀馬氏體組織。
在熱加工和冷卻完畢后，使材料在真空中退火。在此情況下，真空度可以是大約1×10-1托或更小的減壓，以便脫氫。真空度愈高，熱處理時間愈短。較好的是，從實際觀點出發(fā)，減壓約為1×10-4托。處理時間根據(jù)諸如材料厚度之類的因素而變。材料愈厚，處理時間愈長。此外，當針狀顯微組織通過退火，從高密度位錯網(wǎng)絡(luò)重結(jié)晶而被部分分割，形成均勻的細針狀顯微組織時，重結(jié)晶的α相就不會粗化。為此，處理溫度和處理時間分別優(yōu)先為500-900℃和100小時或100小時以下。
當β轉(zhuǎn)變點和Ms點通過氫化已經(jīng)降低時，才顯示出本發(fā)明的效果。合適的氫含量隨目標材料的材料組成而變。因此，為了降低β轉(zhuǎn)變點和Ms轉(zhuǎn)變點，氫含量對JIS2級純鈦優(yōu)先為0.02%(重量)或更高，對Ti-5Al-2.5Sn優(yōu)先為0.01%(重量)或更高，對Ti-6Al-4V優(yōu)先為0.02%(重量)或更高。
由包括上述步驟的本發(fā)明方法制得的材料，具有均勻的細針狀顯微組織，并從而由于細顯微組織而在其疲勞強度方面，特別由于針狀顯微組織而在斷裂韌性方面，具有優(yōu)良性能。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)中，加工鈦材料時必須采用高于β轉(zhuǎn)變點的高溫，致使組織粗化，從而很難制造具有上述針狀顯微組織的材料。相反，在本發(fā)明中，β轉(zhuǎn)變點通過材料中鈦的氫化而降低，因而可以順利地在較低溫度下進行加工，并形成均勻的細針狀顯微組織。
因此，本發(fā)明是制造具有優(yōu)良加工性和斷裂韌性鈦材料的首次發(fā)明。
實施例1將由Ti-6Al-4V組成的(α+β)鈦合金方坯在750℃氫氣氛中加熱1-20小時，供以表1所示的不同氫含量，然后加熱到不同溫度，并以60%壓下量進行熱擠壓，以制備直徑為60mm的棒材，再以約1.2℃/秒的冷卻速度冷卻(空冷)到室溫。加工結(jié)束溫度同加熱溫度。爾后，以1×10-4托真空度，于700℃將該材料退火5小時。
觀察各材料中心部分的顯微組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(示如表1)，對于分別含氫0.2%、1.5%和2.1%的材料，當這些材料分別在910和1000℃下加工時，得到所預(yù)期的細針狀顯微組織。當氫含量低如0.005%時，在任何溫度下都不形成所預(yù)期的顯微組織。當加熱溫度為750℃，即低于β轉(zhuǎn)變點時，由于加工在(α+β)相區(qū)進行，則得到等軸晶粒顯微組織。此外，當材料加熱到1100℃并隨后加工時，則形成粗針狀顯微組織。當氫含量為2.1%時，在熱擠壓時產(chǎn)生表面開裂。
圖1為顯微照片(×200)，其中示出2號試樣經(jīng)910℃熱擠壓及隨之的真空退火后，中心部分的本發(fā)明代表性顯微組織。
圖2為顯微照片(×200)，其中示出作為對比例的1號試樣經(jīng)1100℃熱擠壓及隨之的真空退火后，中心部分的粗針狀顯微組織。
對各經(jīng)上述處理的2號試樣(圖1)和1號試樣，在室溫下測量其沖擊值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有細針狀顯微組織的2號試樣和具有粗針狀顯微組織的1號試樣，沖擊值分別為4.8Kg·m/cm2和3.2Kg·m/cm2，也即2號試樣呈現(xiàn)比1號試樣更高的沖擊值。
因而，按照本發(fā)明，可以在廣泛范圍的條件下，穩(wěn)定地制造具有均勻細針狀顯微組織的(α+β)鈦合金材料。
表1
實施例2將以不同量氫所氫化的Ti-6Al-V(α+β)鈦合金錠，加熱到1000℃的β單相區(qū)，以約1.5℃/秒的冷卻速度冷卻(空冷)到室溫，加熱到表2中所示的各溫度，以40%的壓下量熱軋，制取厚度為5mm的板材，并以約2.0℃/秒的冷卻速度冷卻(空冷)到室溫。加工結(jié)束溫度基本同加熱溫度。爾后，將材料在1×10-4托真空及700下退火5小時。
觀察各材料中心部分的顯微組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(示如表2)，對于分別含氫0.2%、1.5%和2.1%的材料，當這些材料分別在910℃和1000℃下熱軋時，得到所預(yù)期的細針狀顯微組織。當氫含量低如0.005%時，在任何溫度下都不形成所預(yù)期的組織。當加熱溫度為750℃，即低于β轉(zhuǎn)變點時，由于熱軋在(α+β)相區(qū)進行，而得到等軸顯微組織。此外，當材料加熱到1100℃并隨后熱軋時，則形成粗針狀顯微組織。當氫含量為2.1%時，熱軋過程中產(chǎn)生表面開裂。
表2
實施例3以同實施例2的方法，將由Ti-5Al-2.5Sn組成的α鈦合金氫化，加熱到1060℃的β單相區(qū)，以約1.5℃/秒的冷卻速度冷卻(空冷)到室溫，加熱到表3所示的各溫度，以50%的壓下量熱軋，制取厚度為4mm的板材，并以約2.0℃/秒的冷卻速度冷至室溫。然后，在1×10-4托真空中，于730℃將板材退火6小時。
觀察各材料中心部分的顯微組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(示如表3)，對于氫含量分別為0.3%、1.7%和2.2%的材料，當分別在960℃和1050℃軋制材料時，得到預(yù)期的細針狀顯微組織。當氫含量低如0.005%時，在任何溫度下都不形成預(yù)期的組織。當加熱溫度分別為780和1050℃時。當氫含量低如0.005%時，而且加熱溫度為780，由于熱軋在(α+β)兩相區(qū)進行，而得到等軸晶粒顯微組織。此外，當材料加熱到1160℃并隨后軋制時，則形成粗針狀顯微組織。當氫含量為2.2%時，熱軋過程中產(chǎn)生表面開裂。
表3
如上所述，按照本發(fā)明的方法，可以穩(wěn)定地以工業(yè)規(guī)模制造現(xiàn)有技術(shù)中不能制得的，具有均勻細針狀顯微組織的鈦和(α+β)鈦合金材料，且所得到的材料具有優(yōu)良的疲勞強度，特別是高斷裂韌性，從工業(yè)觀點看，這使本發(fā)明非常實用。
權(quán)利要求
1.一種制造具有細針狀顯微組織的鈦和鈦合金材料的方法，該方法包括，將被0.02-2%(重量)氫量所氫化的鈦材料或者α或(α+β)鈦合金材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，使加熱過的材料在所述溫度范圍內(nèi)，以30%或更高的壓下量進行熱加工，在β單相溫度區(qū)結(jié)束所述加工，將加工過的材料冷卻到400℃或更低的溫度，在真空中將冷卻過的材料退火。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中退火在真空中進行，以使材料脫氫。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中退火在真空度1×10-1托或更低的壓力、溫度500-900℃、時間100小時或100小時以下諸條件下進行。
4.一種制造具有細針狀顯微組織的鈦和鈦合金材料的方法，該方法包括，將被0.02-2%(重量)氫量所氫化的鈦材料或者α或(α+β)鈦合金材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，將加熱過的材料冷卻到400℃或更低的溫度，重新將冷卻過的材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，使再加熱過的材料在所述溫度范圍內(nèi)經(jīng)受熱加工，在β單相溫度區(qū)結(jié)束所述的加工，將加工過的材料冷卻到400或更低的溫度，將冷卻過的材料在真空中退火。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中退火在真空中進行，以使材料脫氫。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中退火在真空度1×10-1托或更低的壓力、溫度500-900℃、時間100小時或100小時以下諸條件下進行。
全文摘要
本發(fā)明的特征在于，將被0.02-2％(重量)的氫量所氫化的鈦材料或者α或(α+β)鈦合金材料加熱到高于β轉(zhuǎn)變點而又低于1100℃的溫度，在該溫度范圍內(nèi)以30％或更大的壓下量進行熱加工，在β單相溫度區(qū)結(jié)束熱加工，冷卻到400℃或更低的溫度，然后進行真空退火，由此制得具有細針狀顯微組織的鈦和鈦合金材料。
文檔編號C22C14/00GK1053643SQ9110074
公開日1991年8月7日 申請日期1990年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月22日
發(fā)明者木村欽一, 林正之, 石井滿男, 吉村博文, 高村仁一 申請人:新日本制鐵株式會社