專利名稱：細等軸顯微組織鈦和鈦合金材的制備方法
技術領域：
本發明涉及具有優良疲勞強度和加工性能的鈦(工業純鈦)或鈦合金材的制備方法，特別是涉及具有細等軸顯微組織的鈦或鈦合金材的制備方法。
由于鈦和鈦合金材料具有高的比強度(高的強度與比重之比)和優良的耐蝕性，所以被用來生產飛機另件和用作許多其它材料，而且這些材料的用途還在擴大。這就是為什么鈦材料、α型鈦合金材料和(α+β)型鈦合金材料需要具有優良的強度和延展性。對性能的要求在有關領域是很嚴格的，特別是在交變應力環境下使用的飛機另件領域，不僅需要優良的加工性，而且還需要強的疲勞性，并規定了嚴格的質量標準(如參見AMS4967)。為了滿足這些需要，材料的顯微組織必須具有足夠細的α相等軸晶粒。
但是，在工業純鈦材料中，由于雜質組分受到限制，靠常規的加工和熱處理盡管可以產生等軸的顯微組織，但不可能得到均勻的和細的顯微組織。
對于α型鈦合金材料和(α+β)型鈦合金材料，用在上述領域的型材，如板、線、管和棒通常通過熱軋和熱處理結合來制造，但是，在熱軋工序中常規技術的缺點在于，適合(1)保持足以獲得具有高精度的材料形狀的良好加工性和(2)在材料中產生等軸顯微組織的溫度范圍很窄。
此外，在這一溫度范圍內，由于溫度的變化，甚至溫度稍微升高，材料的顯微組織很容易變化，晶粒長大，熱處理后顯微組織常常是不均勻的。并且產生一個問題熱加工后形成的顯微組織通過后續的熱處理變化很小。
在這種背景下，已建議為獲得具有等軸顯微組織的α型和(α+β)型鈦合金材的下列工藝(1)日本審定專利說明書NO.63-4914公開了一種方法，在該方法中可在一個特定的窄溫度范圍內反復加熱和加工。但是，該方法缺點是不能使顯微組織足夠細和均勻，所達到的等軸性仍不滿意，生產率低和生產成本高。
(2)日本審定專利說明書NO.63-4908公開了一種方法，在該方法中可在單一β相的特定溫度范圍加熱熱軋材并熱處理。然而，這種方法缺點是不能獲得足夠均勻和細的顯微組織并且所達到的等軸性不滿意。
通過添加氫作為臨時合金元素(氫化)來改進鈦合金的加工性或顯微組織的技術是公知的，使用這一技術的下列方法是已知的。
(3)U.Zwicker等人的美國專利NO2，892，742(1958，6，30)公開了一種方法，在該方法中使在至少含6%(重量)Al的α型鈦合金中加0.05-10%(重量)的氫來改進熱加工性，最后，通過在高真空中加熱使材料脫氫。但是，該文獻沒有提及材料的顯微組織。
(4)在W.R.Kerr等人的“氫作為鈦中合金元素(Hydvovac)”(《鈦》，80，2477-2486頁)中指出，如果將(α+β)型合金Ti-6Al-4V氫化，則β轉變溫度降低，熱加工性改善，并獲得細的顯微組織。但是，熱加工以不大于60%的壓下量通過鍛造進行，該鍛造由低速錘運動系統進行，壓機的錘速低到1.27×10-3。所以，這種方法不能以工業規模使用。
(5)在N.C.Birla等人的“通過在Ti-6Al-4V合金中使用氫控制各向異性”(印度金屬學會會刊Vol.37，No.5，1984，10，631-635頁)指出，如果將(α+β)型鈦合金Ti-6Al-4V氫化并熱軋，抗拉性能的各向異性得到改善。但是，根據該方法將氫化的板在990℃進行2小時均勻化，然后在730℃以若干道次每道次壓下量為10%，總壓縮比為50%進行軋制，并且每次壓縮后進行10分鐘的均勻化處理，但這種方法不能以工業規模使用。
通過這些常規技術不能獲得具有足夠細和等軸的顯微組織的材料，并且通過這些常規技術不能以工業規模穩定地制造具有優良疲勞強度和加工性的鈦和鈦合金材料。
本發明的一個目的是提供一種方法，其中可使鈦材料和α型及(α+β)型鈦合金材料的顯微組織更細和達到通過常規技術不能達到的等軸水平，而且這些具有優良疲勞強度和加工性的材料可穩定地以工業規模生產。
本發明的這一目的可通過下述構思的方法達到。
更準確地說，本發明提供了一種制備鈦材料和(α+β)型鈦合金材料的方法，其特征在于將其中氫含量為0.02-2%(重量)的氫化過的材料在450-900℃溫度下，以超過60%的壓下量進行加工，然后在真空中將材料脫氫并同時退火。鈦材料的加工在450-800℃進行，而(α+β)型鈦合金材料的加工在550-900℃進行。
此外，本發明提供了一種制備鈦材料和α型及(α+β)型鈦合金材料的方法，其特征在于將其中氫含量為0.02-2%(重量)的氫化過的材料進行熱處理，材料的加熱溫度不低于β轉變溫度，然后冷卻，將材料在450-950℃溫度下加工，壓下量不低于20%，在真空中將材料脫氫并同時退火。鈦材料的加工在450-800℃進行，α型鈦合金材料的加工在600-950℃進行，而(α+β)型鈦合金材料的加工在550-900℃進行。
圖1和3是按照本發明所制材料的顯微照片(放大倍數500);
圖2和5是按照常規技術所制材料的顯微照片(放大倍數500)和圖4是比較材料的顯微照片(放大倍數500)。
為了解決常規技術的上述問題，發明人注意到，氫作為可很容易被加到鈦和鈦合金中，并可很容易從中除去的元素，進行了各種實驗和研究。結果發現，如果將鈦和鈦合金氫化，通過增加固溶氫使β轉變溫度降低，且熱加工可在低于通常采用的溫度下進行，如果以一個合適的壓下量加工后，在真空中將材料脫氫，同時再結晶并退火，可獲得通過常規技術不能達到的具有細等軸顯微組織的材料。
本發明的材料對象包括工業純鈦材料，如JIS標準的鈦材料;α型鈦合金材料，如Ti-5Al-2.5Sn和(α+β)型鈦合金材料，如Ti-6Al-4V。鑄造材料，如鑄錠，通過鍛造、初軋、熱軋、熱擠壓等制造的熱加工材料，冷軋材料和通過粉未模壓成形的材料都可按照本發明進行處理。
在本發明中，首先通過氫化，使在上述的材料對象中含0.02-2%(重量)的氫。如果氫含量低于0.02%(重量)，即使在下述條件下進行加工、脫氫和退火，也不能獲得預期的細和等軸顯微組織。因為氫含量的增加，加工可以在更低的溫度下容易地進行，形成更細顯微組織的效果提高，但是如果氫含量超過2%(重量)，則材料本身變脆，運輸時碰到的問題，如破裂增加。所以，氫含量限制在0.02-2%(重量)。
作為材料氫化的方法，例如可采用向熔體中加氫和在含氫氣氛中熱處理，其步驟和條件不特別嚴格。氫在其后材料中分布不均勻時，可在適當的溫度下通過熱處理進行均勻化。
現在敘述加工條件。對于鈦材料，在450-800℃溫度下以超過60%的壓下量進行加工。對于(α+β)型鈦合金材料，在550-900℃溫度下以超過60%的壓下量進行加工。由于鈦合金材料具有不良熱加工性，一般將鈦合金材料在高于900℃但不低于β轉變溫度通過常規技術進行加工，所以α晶粒長大，并且加工和退火后難于獲得細的顯微組織。相反，按照本發明的方法，由于通過上述量的氫氫化使β轉變溫度降低，甚至在通常采用的加工溫度下，仍存在大量β相和小量α相。因此，可以解決在常規技術中α晶粒長大引起的問題。另外，由于容易加工的β相在較低溫度下大量存在，可在低于常規技術的溫度下進行加工。此外，如果在上述特定溫度和壓縮比下進行加工，再結晶退火后獲得的顯微組織足夠細并且等軸。所設定的加工溫度的上限是達到上述效果的最高溫度，而設定的下限是加工時不出現破裂的最低溫度。這里所指的壓下量是不再次加熱下進行一次或二次或多次加工的總壓下量。
在本發明的方法中，由于加工溫度比較低和壓下量高達60%以上，材料發生變形和少量α相存在，這樣，加工后α晶粒的長大被控制，加工后進行冷卻期間氫化物以分散態析出。隨著該氫化物的析出，
材料中產生高密度位錯網，氫化物本身中也產生高密度位錯網。所以，如果材料在真空中脫氫并同時退火，氫化物消失，并獲得具有足夠細的等軸再結晶晶粒的顯微組織。
要注意，由于α型鈦合金材料熱加工性極差，要制備具有上述顯微組織的材料，需要進行如下所述的β熱處理作為熱加工預處理。
加工后，將材料在真空中脫氫并同時退火。加熱條件可以是加工后進行再結晶通常采用的那些條件，但是溫度更低較好。如果剩余氫量超過某一水平，即使再結晶形成細的和等軸的顯微組織，但材料變脆，不能獲得滿意的產品。所以，脫氫在真空中進行。如果真空度減壓約為1×10-1乇或更低就足夠。壓力愈低(真空度愈高)，處理時間愈短。從實用觀點出發，最好減壓約為1×10-4乇，而保留氣體是惰性氣體，如Ar。
現在敘述其中熱處理作為上述加工的預處理而進行的實例。對于鈦材料、α型鈦合金材料和(α+β)鈦合金材料的每一種，通過將氫化的材料進行熱處理(下文稱為“β熱處理”)，因此，將材料在不低于β轉變溫度的溫度下加熱，然后冷卻，使材料的顯微組織更細。當這樣處理的材料熱加工時，在上述溫度下壓下量不必大于60%，而如果壓下量不低于20%，隨后的脫氫和退火制得具有足夠細的和等軸再結晶顯微組織的材料。所以，甚至在具有特別差的熱加工性的α型鈦合金材料情況下，也可以以工業規模穩定地制備具有上述顯微組織的材料。
按照本發明的這一β熱處理，在不低于β轉變溫度的溫度下加熱材料，然后冷卻獲得細組織。較好的是，加熱溫度在β范圍內盡可能低。可以采用爐冷、空冷和水冷中任一種，但較好是高速冷卻。如果冷卻溫度為比β轉變溫度低300℃的溫度，可以獲得細顯微組織。冷卻后，將材料直接進行上述加工或將材料一次加熱或冷卻到預定溫度，然后進行上述加工。加工后，如上所述將材料在真空中脫氫并同時退火。
從上述可明顯看出，按照本發明的制備方法，可穩定地以工業規模制備具有常規技術不能獲得的細等軸顯微組織的鈦和鈦合金材料，可穩定地提供具有優良強度、疲勞特征和加工性的這些材料。
實施例現在參照下述實施例詳細描述本發明，但不是限制本發明的范圍。
實施例1將氫量為0.01、0.05、0.2、0.5、0.9、1.5或2.2(重量%)氫化過的Ti-6Al-4V合金扁錠在500、600、700、800或950℃下加熱并以40%、60%、70%或80%的壓下量熱軋。熱軋后，在700℃下于真空中進行脫氫并退火1小時。
熱軋、脫氫和退火后材料的顯微組織觀察結果示于表1-6中。在氫含量為0.05、0.2、0.5、0.9和1.5(重量%)，加熱溫度為600、700和800℃及壓下量為70%和80%下得到的熱軋和退火材中，其顯微組織足夠細并等軸。
作為一個典型例子，將含0.2%(重量)氫量的材料在750℃下加熱，以80%的壓下量熱軋，在700℃脫氫并退火1小時。所獲得材料顯微組織的顯微照片示于圖1。要注意，在含氫量為2.2%(重量)的材料場合，熱軋后冷卻到室溫得到的材料很脆，隨后在真空中退火不能進行。
作為常規技術的例子，將未氫化的Ti-6Al-4V合金在950℃下加熱和80%壓下量熱軋，然后退火，獲得材料的顯微組織照片示于圖2。
可以看到本發明方法制備的材料比常規技術制備的材料具有更細和更等軸的顯微組織。
表1氫含量0.01%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△△△700△△△△800△△△△950XXXX○完全細等軸晶粒顯微組織△部分細等軸晶粒顯微組織X粗晶或針狀顯微組織表2氫含量0.05%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△○○700△△○○800△△○○950XXXX表3氫含量0.2%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△○○700△△○○800△△○○900XXXX
表4氫含量0.5%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△○○700△△○○800△△○○950XXXX表5氫含量0.9%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△○○700△△○○800△△○○950XXXX
表6氫含量1.5%(重量)材料的顯微組織壓下量(%)溫度(℃)40607080500△△△△600△△○○700△△○○800△△○○950XXXX實施例2將氫量為0.2%(重量)氫化過的Ti-6Al-4V合金扁錠在850或950℃下加熱，也就是高于在這一氫含量下的β轉變溫度的溫度，空冷，再在500、600、700、750、800或950℃下加熱，并以22%、40%60%或80%的壓縮比加工。然后將材料在真空中在700℃下脫氫并退火1小時。所得材料的顯微組織觀察結果示于表7和表8。如果熱加工的加熱溫度為600、700、750或800℃，退火后的材料在任何壓下量下都具有細等軸顯微組織。
表7氫含量0.2%(重量)，于850℃下加熱并冷卻的材料顯微組織壓下量(%)溫度(℃)22406080500△△△△600○○○○700○○○○750○○○○800○○○○950XXXX表8氫含量0.2%(重量)，在950℃下加熱并冷卻的材料顯微組織壓下量(%)溫度(℃)22406080500△△△△600○○○○700○○○○750○○○○800○○○○950XXXX○完全細等軸晶顯微組織
△部分細等軸晶顯微組織X粗晶或針狀顯微組織實施例3將典型的α型鈦合金Ti-5Al-2.5Sn用作試樣，將厚度100毫米氫含量不同的扁錠在不低于與氫含量對應的β轉變溫度下加熱，并冷卻到室溫，進行β熱處理。將材料在不同加熱溫度和壓縮比下熱軋，然后在1×10-4乇真空下，在700℃將材料加熱5小時以使該材料脫氫并進行再結晶。
最終獲得材料的顯微組織結果以及制備條件示于表9。在顯微組織的評價中，符號“○”表示完全細和等軸顯微組織，符號“△”表示部分細和等軸顯微組織，符號“X”表示粗晶粒或拉長晶粒顯微組織。要注意，在試驗No14中，由于熱軋溫度低，發生破裂，而不可能熱軋。在試驗No16中，由于氫含量高，材料在熱軋后冷卻狀態變脆，不可能進行后續處理。
作為典型的例子，按照本發明試驗No8的材料，試驗No13的比較材料以及在980℃下以50%壓下量將未氫化材料反復軋制并在700℃加熱5小時獲得的普通材料的顯微組織照片分別示于圖3、4和5。
可以看出，按照本發明可以獲得具有細等軸顯微組織的α型合金。
實施例4將JIS2級的工業純鈦材料如實施例3所述的同樣方法進行熱軋，并將未進行β熱處理的材料在1×10-4乇真空中于600℃下加熱1小時直到脫氫并退火。結果示于表10(未進行β熱處理)和表11(進行β熱處理)。表10中的試驗No.14和表11中的試驗No.15，由于熱軋溫度低，發生破裂，不能軋制。在表10的試驗No.17和表11的試驗No.17中，因為氫含量高，熱軋后在冷卻態材料很脆，不能進行后續處理。
可以看出，按照本發明可以獲得具有細等軸顯微組織的鈦材料。
在上述實施例中，軋制扁錠并檢查形成的板材。已被證實在由軋制坯料形成的棒、線和型材，由熱擠壓坯料形成的各種型材，鍛材以及粉未成形材的情況下所獲得的結果是相似的。
表10JIS2級鈦(未進行β熱處理的)試驗氫含量熱軋溫度壓下量顯微組織評價分類No(重量%)(℃)(%)10.0280090○本發明20.375080○本發明30.368070○本發明40.360065○本發明50.575065○本發明60.568065○本發明70.560065○本發明80.560095○本發明90.550075○本發明101.070080○本發明111.045065○本發明122.045065○本發明130.0180090X比較140.5400--比較150.585090X比較160.560060△比較172.245065-比較表11JIS2級鈦(進行過β熱處理的)試驗氫含量β熱處理熱軋溫度壓下量顯微組織的分類溫度評價No(重量%)(℃)(℃)(%)10.0290080090○本發明20.380075080○本發明30.380068060○本發明40.380060040○本發明50.575075060○本發明60.575068040○本發明70.575060020○本發明80.575060040○本發明90.575060070○本發明100.575050050○本發明111.070070070○本發明121.070045030○本發明132.065045020○本發明140.0190080090X比較150.5750400--比較160.575085095△比較172.265045020-比較
權利要求
1.一種制備具有細等軸顯微組織的鈦和鈦合金材的方法，該方法包括處理以氫量為0.02-0.2%(重量)氫化過的鈦或(α+β)型鈦合金材，將該材料在450-900℃溫度下以超過60%壓下量加工，在真空中脫氫并同時退火。
2.按照權利要求1的方法，其中在450-800℃溫度下加工鈦材。
3.按照權利要求1的方法，其中在550-900℃溫度下加工(α+β)型鈦合金材。
4.一種制備具有細等軸顯微組織的鈦和鈦合金材的方法，該方法包括將以氫量為0.02-2%(重量)氫化過的鈦、α型鈦合金或(α+β)型鈦合金材進行熱處理，將材料在不低于β轉變溫度的溫度下加熱，然后冷卻，將該材料在450-950℃溫度下以不低于20%壓下量加工，在真空中脫氫并同時退火。
5.按照權利要求4的方法，其中在450-800℃溫度下加工鈦材。
6.按照權利要求4的方法，其中在600-950℃溫度下加工α型鈦合金材。
7.按照權利要求4的方法，其中在550-900℃下加工(α+β)型鈦合金材。
全文摘要
在鈦和(α+β)型鈦合金材的制備中，將以氫量為0.02-2％(重量)氫化過的材料在450-900℃溫度下，以大于60％的壓下量加工，將該材料在其空中脫氫和退火。在450-800℃下進行鈦材的加工，在550-900℃下進行(α+β)型鈦合金材的加工。在鈦、(α+β)型鈦合金材和(α+β)型鈦合金材的制備中，將以氫量為0.02-2％(重量)氫化過的材料進行熱處理，其中將該材料在不低于β轉變溫度的溫度下加熱，然后冷卻，在450-950℃溫度下，以不低于20％的壓下量將材料加工，在真空中脫氫和退火，在450-800℃下進行鈦材的加工，在600-950℃下進行α型鈦合金材的加工，在550-900℃下進行(α+β)型鈦合金材的加工。
文檔編號C22F1/02GK1046565SQ90102119
公開日1990年10月31日 申請日期1990年3月20日 優先權日1989年3月20日
發明者木村欽一, 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