一次熔炼成型之后的Ti‑20V‑4Al‑1Snβ型钛合金的二次热处理工艺

摘要

本发明公开了一种一次熔炼成型之后的Ti‑20V‑4Al‑1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti‑20V‑4Al‑1Snβ型钛合金放入工装，在真空炉中加热，升温至750℃‑900℃后，保温1h‑1.5h，通入在惰性气体冷却至35℃‑45℃后，保温30‑40分钟出炉；(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti‑20V‑4Al‑1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃‑500℃后，保温10h‑12h，通入在惰性气体冷却至35℃‑45℃后，保温30‑40分钟出炉。采用本发明所述的工艺进行热处理后，一次熔炼成型之后的Ti‑20V‑4Al‑1Snβ型钛合金的在硬度、延伸率、拉伸强度等方面都得到提升，可以满足多个领域的使用需求。

说明书

技术领域

本发明属于β型钛合金热处理工艺技术领域，尤其涉及一种Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的热处理工艺。

背景技术

钛合金因具有强度高、耐蚀性、耐热性好等特点而被广泛用于各个领域。钛有两种同素异构晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。在室温下，钛合金则分为三类：α型钛合金、β型钛合金、以及(α+β)型钛合金。β型钛合金是这样一类合金：其在正火或退火时能将高温β相保留到室温并获得介稳定的β单相组织。β型钛合金在熔炼后即具有较高的强度，在进行淬火、时效等热处理工艺后合金强度将得到进一步强化，室温强度可达1372MPa～1666MPa，但是β型钛合金热稳定性较差，不宜在高温下使用。

目前，三种钛合金的处理工艺主要以固溶处理配合时效处理的热处理工艺为主。只是，β型钛合金在处理工艺上与α钛合金、(α+β)钛合金稍有不同。β型钛合金加热温度要高于临界相变温度TB(国产牌号β型钛合金热TB1及TB2的临界相变温度TB＝750℃)。这是由于β型钛合金的合金化程度高，临界相变温度TB低，所以稍高于临界相变温度TB的β区加热后并不至于导致严重的脆性出现，并且β型钛合金在固溶后可获得单一介稳β相组织以改善合金的塑性。目前，国产牌号β型钛合金热TB1与TB2均在高于TB温度下进行固溶处理。之后会根据产品使用环境所需的力学性能决定厚度大小，决定β合金的时效处理时间。

Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金具有优异的耐冲击强度和振动衰减特性，因此其被广泛应用于滑雪板、自行车后齿轮、高尔夫球头等民用工件上。一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金往往并不具备使用时应有的材料力学强度及韧性性能要求，所以需要对其进行二次热处理，以满足实际应用的需要。二次热处理过程中，钛合金在高温条件容易氧化，固溶及时效处理的温度不易把握。在我国，目前由于热处理工艺不成熟，Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金尚未能进行大规模的生产，仍以进口为主。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金热处理工艺，尤其是一种一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，在真空炉中加热，升温至750℃-900℃后，保温1h-1.5h，通入在惰性气体冷却至35℃-45℃后，保温30-40分钟出炉；

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃-500℃后，保温10h-12h，通入在惰性气体冷却至35℃-45℃后，保温30-40分钟出炉。

因为考虑到在热处理过程中变形与氧化对材料的影响，所以本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺是在真空炉中进行处理。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺的(a)步骤中，升温至不能低于750℃保温，优选的不能低于800℃保温，这是因为750℃是此类钛合金的临界相变温度，要改变Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的组织及性能需要加热到750℃以上，而发明人发现当温度在800℃以上时，Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的组织可完全转变，呈现出更好的力学性能；升温至不能高于850℃保温，尤其不能高于900℃保温，这是因为高于850℃后，尤其是高于900℃后，组织会开始新的转变，对此类钛合金的使用性能造成影响。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺的(a)步骤中，在保温1h-1.5h后进行冷却，原因在于如果保温时间过短，钛合金的加热不充分，表层以下组织不能到达相变温而未发生组织转变，如果保温时间过长，钛合金完全烧透，会使得所有组织充分转变导致产品变形过大。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺的(a)步骤中，宜冷却至35℃-45℃，并在炉内保温30-40分钟，原因在于，当出炉温度过高会使得产品表面发生轻微的氧化。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺的(b)步骤中，加热温度至400℃-500℃，原因在于，当加热温度低于400℃时，强度未能达到最佳；当加热温度高于500℃时，产品的强度会急剧下降。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺的(b)步骤中，在保温10h-12h后进行冷却，原因在于如果保温时间过短会使得所有组织未能完全稳定，如果保温时间过长，不易节能，造成浪费。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺中，所述步骤(a)、(b)均采用加压惰性进行冷却，进一步地，其中步骤(a)中，控制炉内冷却压力为2.5bar-3.0bar，步骤(b)中，控制炉内冷却压力为0.5bar-1.5bar。这是因为惰性气体不会与Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金发生反应，并在冷却过程中起到保护性气氛的作用。步骤(a)中，将冷却压力限定在2.5bar-3.0bar的目的在于保证Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金在一个适当的冷却速度及保护环境中进行，主要是通过对冷却压力的控制进行冷却速度的控制，通过多次实验验证此压力下的冷却效果最好，所得到的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金力学性能最佳。步骤(b)中，将冷却压力限定在1bar-1.5bar的目的在于相比于固溶处理，需要对时效处理的冷却速度有所降低，通过多次实验验证此压力下的冷却效果最好，所得到的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金力学性能最佳。优选的，所述步骤(a)、(b)均采用通氩气进行冷却，因为使用氩气的成本更低。

进一步地，在工艺开始前要对真空炉进行真空除气的处理，保证炉内无其它杂质影响热处理工艺。空除气处理完成后，开始正式的热处理工艺。

本发明所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺中，工装可视产品形状要求设计，对于国内大多数真空炉而言，多选用长方形多层工装，对于特殊形状的产品可在工装上设计不同的夹具。例如工装可根据滑雪板、自行车后齿轮、高尔夫球头的形状设计。

本发明所述一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺真空炉与现有技术相比，优点在于，原材料的力学性能得到提升，在进行本发明的第二次热处理前，一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的硬度只有HRC30-HRC33，进行本发明的第二次热处理后，Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的硬度可提高到HRC41-HRC47，延伸率达到5％-17％，拉伸强度达到1150Mpa-1450Mpa，Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金所制成的工件其他力学性也都随着硬度一起得到提升，如此可以大大提高工件的使用寿命，节约了经济成本，可以满足多个领域的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1、6、10得到的Ti-20V-4Al-1Sn型钛合金拉伸强度与时效时间、温度的关系图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

实施例1

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉；

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温10h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

对比例1

本对比例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h后，采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉；

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温8h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

对比例2

本对比例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉；

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温9h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

对比例3

一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺：本实对比所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h后，采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉；

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温15h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉；

按上述实施例1与对比例1、2、3所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果如表1所示。

实施例2

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至900℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温11h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例3

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至750℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温12h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例4

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至820℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温10h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例5

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至800℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至400℃，保温10h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

按上述实施例2、3、4、5所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果如表1所示。

实施例6

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至35℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至450℃，保温11h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为45℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例7

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至45℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至450℃，保温11h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为35℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例8

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至35℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至450℃，保温12h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为35℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

实施例9

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h，后采用加压氩气进行冷却，冷却压力为2.5bar，冷却至40℃，并在炉内保温40分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至450℃，保温10h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.0bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温40分钟后出炉。

实施例10

本实施例所述的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的二次热处理工艺，包括如下步骤：

(a)固溶处理，将待处理的一次熔炼成型之后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金放入工装，并置于经真空除气的真空炉中加热，升温至850℃，保温1h后，采用加压氩气进行冷却，冷却压力为3.0bar，冷却至40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

(b)时效处理，将经固溶处理后的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金随工装进入真空炉加热，升温至500℃，保温10h后，采用加压氩气冷却，冷却压力为1.5bar，冷却温度为40℃，并在炉内保温30分钟后出炉。

按上述实施例6、7、8、9、10所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果如表1所示。

按上述实施例1、6、10所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度与时效时间、温度的关系如图1所示。

表1：按实施例1与对比例1、2、3所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ型钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果。

性能实施例1对比例1对比例2对比例3延伸率％7986硬度(单位HRC)43±141.5±142.5±144±1拉伸强度(Mpa)1184107511461243

表2：按实施例2、3、4、5所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果。

性能实施例2实施例3实施例4实施例5延伸率％11131210硬度(单位HRC)44±144±144±144±1拉伸强度(Mpa)1236122512301235

表3：按上述实施例6、7、8、9、10所述工艺得到的Ti-20V-4Al-1Snβ钛合金的拉伸强度、延伸率、硬度的测量结果。

性能实施例6实施例7实施例8实施例9实施例10延伸率％1517161414硬度(单位HRC)42±142.5±142.5±142±142±1拉伸强度(Mpa)11581176115311551153