一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法，属于钛合金嵌套式梯度组织技术领域。本发明专利技术采用超高频电磁感应加热结合表面超声滚压技术，使高强韧钛合金棒材从表层到心部形成表层纳米梯度组织、片层组织、片层+双态组织和双态组织逐渐过渡的嵌套式梯度组织结构。表层超高强纳米梯度组织是为了提高表面的扭转疲劳裂纹萌生抗力，内部的梯度组织是为了提高扭转疲劳裂纹扩展抗力，从而提高其扭转疲劳性能；嵌套式梯度组织结构的表层为纳米梯度组织、次表层至心部为片层渐变为双态组织。这种高强韧嵌套式梯度组织结构具有表层抗扭转疲劳裂纹萌生、次表层抗扭转疲劳裂纹扩展且心部高强韧的性能特点。抗扭转疲劳裂纹扩展且心部高强韧的性能特点。抗扭转疲劳裂纹扩展且心部高强韧的性能特点。

【技术实现步骤摘要】
一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法


[0001]本专利技术涉及钛合金嵌套式梯度组织
，尤其涉及一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法。

技术介绍

[0002]高强韧钛合金因有轻质高强、优异的疲劳损伤及耐蚀性能、与复合材料的良好相容性等特性，逐渐替代钢铁广泛用于制备飞机起落架梁、发动机活塞连杆、传动轴、紧固件等关键承力构件，疲劳断裂是构件的普遍断裂形式，是影响航空航天飞行器、舰船机械等安全可靠的重要因素，历来都是机械结构件的安全设计和基础领域研究热点。因此，预测高强高韧钛合金的疲劳寿命是航空航天飞行器、舰船轻量化设计和服役安全性提升的必然选择。
[0003]对于常承受扭矩作用的连接件及轴类构件，如传动轴在服役过程常承受循环扭矩作用，扭转疲劳损伤是其主要失效形式，循环扭转载荷下，表面切应力最大，裂纹萌生从表面开始，然后裂纹扩展是旋转式的从表面逐渐向心部扩展。因此，在不损失高强韧钛合金优异的常规性能的同时显著提升其表层组织的扭转疲劳裂纹萌生抗力和次表层的扭转疲劳裂纹扩展抗力，成为高强韧钛合金抗扭转疲劳损伤结构与组织设计亟待解决的核心问题。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的设计及制备方法。本专利技术构建的表层抗扭转疲劳裂纹萌生、次表层抗扭转疲劳裂纹扩展且心部高强韧的嵌套式梯度组织结构设计，提高钛合金扭转疲劳载荷下的服役性能。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法，包括以下步骤：
[0007]对双态组织钛合金依次进行超高频电磁感应加热、冷却和时效处理，形成第一层梯度组织结构，所述双态组织钛合金形成表面至心部由片层组织、片层组织+双态组织和双态组织逐步过渡的整体梯度组织；所述超高频电磁感应加热的温度高于所述双态组织钛合金的相变点20～50℃，频率为600～1100KHz；
[0008]对所述形成第一层梯度组织结构后的合金进行超声滚压，在表层形成纳米细晶梯度组织，在所述第一层梯度组织结构的表层组织上构建第二层梯度组织结构，从而形成嵌套式梯度组织结构。
[0009]优选地，所述双态组织钛合金为双态组织的Ti
‑
55531或TC4合金。
[0010]优选地，所述超高频电磁感应加热的保温时间为1～3s，频率为800～1100KHz。
[0011]优选地，所述超高频电磁感应加热在SYG
‑
10AB和CR2100 Series超高频感应加热
系统中进行。
[0012]优选地，所述冷却的降温速率为500～600℃/s。
[0013]优选地，所述时效处理的温度为450～620℃，时间为5～6h。
[0014]优选地，所述超声滚压的静压力为300～600N，转速为300～500n/min，电流为0.35～0.5A，频率为20～30KHz，滚压道次为20～50次。
[0015]优选地，所述纳米细晶梯度组织的厚度为20～40μm。
[0016]本专利技术提供了一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法，包括以下步骤：对双态组织钛合金依次进行超高频电磁感应加热、冷却和时效处理，形成第一层梯度组织结构，所述双态组织钛合金形成表面至心部由片层组织、片层组织+双态组织和双态组织逐步过渡的整体梯度组织；所述电磁感应加热的温度高于所述双态组织钛合金的相变点；对所述形成第一层梯度组织结构后的合金进行超声滚压，在表层形成纳米细晶梯度组织，在所述第一层梯度组织结构的表层组织上构建第二层梯度组织结构，从而形成嵌套式梯度组织结构。
[0017]本专利技术针对扭转疲劳的受力特点和损伤模式(表面受力最大、裂纹从表面萌生，然后旋转式向内部扩展)，提出了构件表面具有高的抗扭转疲劳裂纹萌生抗力、次表层具有较高的裂纹扩展抗力和心部具有高强韧的嵌套式梯度组织的结构设计；根据组织结构设计，结合单独的表面超高频感应加热和超声滚压技术对材料梯度组织的影响，采用混合的表层强化方式，最终制备出嵌套式梯度组织结构。
[0018]本专利技术采用超高频电磁感应加热结合表面超声滚压技术，使高强韧钛合金棒材从表层到心部形成表层纳米梯度组织、片层组织、片层+双态组织和双态组织逐渐过渡的嵌套式梯度组织结构。表层超高强纳米梯度组织是为了提高表面的扭转疲劳裂纹萌生抗力，内部的梯度组织是为了提高扭转疲劳裂纹扩展抗力，从而提高其扭转疲劳性能。
[0019]本专利技术在不损失高强韧钛合金优异性能的同时还显著提升其表层组织的扭转疲劳裂纹萌生抗力和次表层的扭转疲劳裂纹扩展抗力。
[0020]进一步地，本专利技术将超高频电磁感应加热用于钛合金的组织调控，通过超高频电磁感应快速加热诱导相变是实现快速、节能和高效地制备从双态组织向片层组织过渡的梯度组织结构的一种新方法。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1中电磁感应加热后Ti
‑
55531的显微组织示意图；
[0022]图2是本专利技术实施例2中电磁感应加热后TC4的显微组织；
[0023]图3是本专利技术实施例3中超声滚压后Ti
‑
55531的显微组织示意图；
[0024]图4是本专利技术实施例4中嵌套式梯度组织示意图和显微组织；
[0025]图5是本专利技术实施例4中嵌套式梯度组织、实施例3中超声滚压后Ti
‑
55531以及原始态Ti
‑
55531合金的扭矩
‑
扭转角曲线及剪切应力
‑
应变曲线。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织制备方法，包括以下步骤；
[0027]对双态组织钛合金依次进行超高频电磁感应加热、冷却和时效处理，形成第一层梯度组织结构，所述双态组织钛合金形成表面至心部由片层组织、片层组织+双态组织和双态组织逐步过渡的整体梯度组织；所述超高频电磁感应加热的温度高于所述双态组织钛合金的相变点20～50℃，频率为600～1100KHz；
[0028]对所述形成第一层梯度组织结构后的合金进行超声滚压，在表层形成纳米细晶梯度组织，在所述第一层梯度组织结构的表层组织上构建第二层梯度组织结构，从而形成嵌套式梯度组织结构。
[0029]在本专利技术中，所述双态组织钛合金优选为双态组织的Ti
‑
55531合金或TC4合金。
[0030]在本专利技术中，所述双态组织的Ti
‑
55531合金的相变点优选为830
±
5℃。
[0031]在本专利技术中，所述双态组织钛合金优选为制备成棒状，为后期的电磁感应加热以及超声滚压做准备。
[0032]在本专利技术中，所述超高频电磁感应加热的保温时间优选为1～3s，频率为800～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高高强韧钛合金扭转疲劳性能的嵌套式梯度组织的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对双态组织钛合金依次进行超高频电磁感应加热、冷却和时效处理，形成第一层梯度组织结构，所述双态组织钛合金形成表面至心部由片层组织、片层组织+双态组织和双态组织逐步过渡的整体梯度组织；所述超高频电磁感应加热的温度高于所述双态组织钛合金的相变点20～50℃，频率为600～1100KHz；对所述形成第一层梯度组织结构后的合金进行超声滚压，在表层形成纳米细晶梯度组织，在所述第一层梯度组织结构的表层组织上构建第二层梯度组织结构，从而形成嵌套式梯度组织结构。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双态组织钛合金为双态组织的Ti
‑
55531或TC4合金。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄朝文，黄飞余，杨江，万明攀，李伟，石维，杨明，谭元标，赵飞，梁益龙，梁宇，向嵩，刘丹，欧梅桂，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：