针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法技术

本发明专利技术提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其包括以下步骤：S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定；S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；S3、建立低倍粗晶的量化预测模型；S4、通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；S5、低倍粗晶的调控。本发明专利技术可以有效地预测近β钛合金低倍粗晶出现时的变形温度、应变量和应变速率，解决实际生产中低倍粗晶不可控的难题，进而可根据该方法制定更合理的变形工艺来避免低倍粗晶，使得锻件组织、性能更均匀和更稳定。性能更均匀和更稳定。性能更均匀和更稳定。

【技术实现步骤摘要】
针对近
β
钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法


[0001]本专利技术属于钛合金锻件锻造成形低倍组织预测模型
，涉及了一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法。

技术介绍

[0002]近些年，航空工业发展迅猛，对钛合金品质提出了更高的需要，特别是航空模锻件。钛合金属于成形能力较差的合金，且导热性差，锻造时，坯料温度不均匀程度较高，由此造成的组织缺陷较多。为了适应目前航空工业对钛合金的高要求，保证钛合金既满足形状的要求又使其性能达到标准，需要对钛合金热模锻与热变形方面进行深入研究。
[0003]航空锻件的低倍组织是锻件质量评估和产品判废的重要依据之一，对锻件的应变量和变形温度十分敏感。特别当温度控制不当时，坯料内部区域的变形温度各不相同，不同变形温度下加工成型的材料性能也不同，表现为该坯料内部组织不均匀性较高，对其进行相关退火处理后，锻件局部区域低倍组织极易表现出粗晶现象，为避免安全隐患不得不将低倍组织切除，使得材料利用率大幅降低，导致材料严重浪费。本专利钛合金材料涉及两种低倍组织：低倍粗晶(清晰晶)和非低倍粗晶(模糊晶)，其主要与β晶粒尺寸、晶粒的不等轴程度有关，显微组织之间并不存在明确的关联关系。近β钛合金锻件主要在α+β双相区单火次锻造成形，其达标的低倍组织通常为非低倍粗晶，如图1所示。
[0004]因此，急需专利技术一种近β钛合金模锻件低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，从而提升钛合金材料利用率，降低生产成本。

技术实现思路

[0005]为了解决上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，该方法可以有效地预测近β钛合金低倍粗晶出现时的变形温度、应变量和应变速率，解决实际生产中低倍粗晶不可控的难题，进而可根据该方法制定更合理的变形工艺来避免低倍粗晶，使得锻件组织、性能更均匀和更稳定。
[0006]具体地，本专利技术提供一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其包括以下步骤：
[0007]S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定，其具体包括以下子步骤：
[0008]S11、降温热变形试验：
[0009]从典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8
×
12mm圆柱状试样，在热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s
‑1～0.5s
‑1间的一个固定速率，之后进行降温单轴热变形；
[0010]S12、完全退火热处理：
[0011]将热变形后的试样进行完全退火热处理，热处理的具体方法为：将炉温加热至720℃～820℃，到达温度后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间为60min～240min，达到
保温时间后，取出试样空冷，试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织与微观组织；
[0012]S13、确定不同低倍组织对应的显微组织特性：
[0013]对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部的宏观组织和微观组织进行分析，确定低倍组织的低倍粗晶与非低倍粗晶，其中，低倍粗晶的判定条件为是否存在肉眼可见暗色斑点；
[0014]S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；
[0015]S3、建立低倍粗晶的量化预测模型：
[0016]基于步骤S2中关于低倍粗晶的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε
f
及应变速率之间的关系，三者之间关系如式(1)和式(2)所示；
[0017]‑
1.06
×
10
‑7T3+1.97
×
10
‑4T2‑
0.12T+24.63≤ε
f
≤
‑
1.76
×
10
‑7T3+3.28
×
10
‑4T2‑
0.20T+41.32(1)
[0018][0019][0020]式(1)、(2)表示了在不同温度下产生低倍粗晶的应变量区间和应变速率区间；
[0021]将上述式(1)、(2)作为低倍粗晶的量化预测模型；
[0022]S4、低倍粗晶分布的预测：基于低倍粗晶形成的判定条件得到步骤S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；
[0023]S5、低倍粗晶分布的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S4的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。
[0024]优选地，步骤S13中对显微组织的观察具体包括以下步骤：
[0025]S131、从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，试样首先经过研磨抛光，然后在成分比例为HF:HNO3:H2O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间为8s～12s；
[0026]S132、使用金相显微镜对试样的不同低倍晶区的显微组织进行观察分析，显微组织均为典型双态组织，显微组织中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。
[0027]优选地，步骤S11具体包括以下步骤：
[0028]S111、将钛合金坯料加工成Φ8
×
12mm的圆柱试样，并将试样两端进行倒圆角处理，之后在试样中间表层位置焊接PtRh
13
/Pt
‑
R型铂铑热电偶，用来采集试样温度，将该温度信号反馈到计算机生成温度数据并存储；
[0029]S112、实验前在试样两端的端面涂上高温润滑剂，然后粘贴厚度分别为0.1mm
‑
0.15mm的钽片与石墨片从而减小压头与试样之间的摩擦力，保证试样在热变形时的稳定性与均匀性，试样装入实验工作仓后，对实验工作仓进行抽真空处理，之后充满保护气体；
[0030]S113、以10℃/s的加热速度将试样升温至设定温度保温，保温时间为10min，随后以5℃/s的降温速率降温到变形温度包括560℃、580℃、600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、及700℃，保温时间为10s；
[0031]S114、对试样进行热变形试验，其中应变速率区间为0.005s
‑1～0.5s
‑1，变形量区间为0％～70％；
[0032]S115、变形完毕后空冷。
[0033]优选地，步骤S4中实现钛合金低倍粗晶分布的可视化预测包括以下步骤：
[0034]S41、建立几何模型：采用计算机辅助软件绘制出长宽高95mm
×
45mm
×
45mm的长方体坯料、上模具及下模具的三维造型，保存成有限元软件能够识别的stl文件，然后在有限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、在不同工艺条件下对材料进行组织测定，其具体包括以下子步骤：S11、降温热变形试验：从典型近β钛合金Φ130mm锻棒上切取Φ8
×
12mm圆柱状试样，在热/力模拟试验机上进行恒应变速率降温压缩实验，加热到设定温度后保温一段时间，随后降温到变形温度，变形温度从560℃～700℃区间内选取4个以上温度点，变形量为0％～70％不等，变形速率为0.005s
‑1～0.5s
‑1间的一个固定速率，之后进行降温单轴热变形；S12、完全退火热处理：将热变形后的试样进行完全退火热处理，热处理的具体方法为：将炉温加热至720℃～820℃，到达温度后放入试样，炉温稳定后开始计时，保温时间为60min～240min，达到保温时间后，取出试样空冷，试样退火完成后，平行于压缩方向沿中心切开，观察心部宏观组织与微观组织；S13、确定不同低倍组织对应的显微组织特性：对多组降温热压缩工艺条件下的试样心部的宏观组织和微观组织进行分析，确定低倍组织的低倍粗晶与非低倍粗晶，其中，低倍粗晶的判定条件为是否存在肉眼可见暗色斑点；S2、通过统计分析不同变形工艺下的热压缩试样心部的低倍组织，得到不同条件参数下低倍粗晶产生所具有的规律性；S3、建立低倍粗晶的量化预测模型：基于步骤S2中关于低倍粗晶的统计结果，确定低倍粗晶的产生条件，明确变形温度T、应变ε
f
及应变速率之间的关系，三者之间关系如式(1)和式(2)所示；
‑
1.06
×
10
‑7T3+1.97
×
10
‑4T2‑
0.12T+24.63≤ε
f
≤
‑
1.76
×
10
‑7T3+3.28
×
10
‑4T2‑
0.20T+41.32
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(1)式(1)、(2)表示了在不同温度下产生低倍粗晶的应变量区间和应变速率区间；将上述式(1)、(2)作为低倍粗晶的量化预测模型；S4、低倍粗晶分布的预测：基于低倍粗晶形成的判定条件得到步骤S3中低倍粗晶显现的临界条件，并基于上述临界条件，通过有限元数值模拟分析，实现近β钛合金低倍粗晶分布的可视化预测；S5、低倍粗晶分布的调控：通过提高模具温度和增加下压速度重新进行模拟，并将模拟结果按照步骤S4的方式进行低倍粗晶分布的预测，以达到减轻和消除低倍粗晶的目的。2.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征在于：步骤S13中对显微组织的观察具体包括以下步骤：S131、从某近β钛合金锻件上切取不同低倍晶区的金相试样，试样首先经过研磨抛光，然后在成分比例为HF:HNO3:H2O＝1:4:23的腐蚀液中进行腐蚀，腐蚀时间为8s～12s；S132、使用金相显微镜对试样的不同低倍晶区的显微组织进行观察分析，显微组织均为典型双态组织，显微组织中分布等轴初生α相以及等轴原始β晶粒。3.根据权利要求1所述的针对近β钛合金低倍粗晶组织分布的预测与调控方法，其特征
在于：步骤S11具体包括以下步骤：S111、将钛合金坯料加工成Φ8
×
12mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雷，张禹森，刘胜杰，王皓宇，张启飞，李小龙，刘尧，崔明亮，金淼，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：