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　　本发明公开了一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，包括将钛合金铸件试样加热升温至变形温度后保温一段时间，然后对钛合金铸件试样进行一次等温压缩变形；在等温压缩变形后保持压头不动，使加载的压应力缓慢释放，即形成一次应力松弛过程；对钛合金铸件试样进行多次同等变形量的等温压缩变形和多次应力松弛过程，直至钛合金铸件试样达到需满足的总变形量；达到总变形量后的钛合金铸件试样立即进行淬火。本发明使钛合金形变织构强度同直接变形钛合金的织构强度相比减少30％以上，经本发明方法处理后的钛合金的磨损量相比于

　　(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 CN 113774300 B (45)授权公告日 2022.04.22 (21)申请号 8.3 (56)对比文件 CN 105483585 A,2016.04.13 (22)申请日 2021.09.15 CN 103966535 A,2014.08.06 (65)同一申请的已公布的文献号 CN 109909409 A,2019.06.21 申请公布号 CN 113774300 A SU 1076490 A1,1984.02.29 (43)申请公布日 2021.12.10 Ke Hua et.al..Phase precipitation (73)专利权人 西北工业大学 behavior during isothermal deformation in 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 β-quenched near beta titanium alloy Ti- 7333.《Journal of Alloys and Compounds》 (72)发明人 花珂张永亮吴红星王海丰 .2016,(第671期),第2节实验部分. (74)专利代理机构 北京众达德权知识产权代理 审查员 周耀 有限公司 11570 代理人 刘杰 (51)Int.Cl. C22F 1/18 (2006.01) 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (54)发明名称 一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热 机械处理方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于弱化钛合金形变织 构及减磨的热机械处理方法，包括将钛合金铸件 试样加热升温至变形温度后保温一段时间，然后 对钛合金铸件试样进行一次等温压缩变形；在等 温压缩变形后保持压头不动，使加载的压应力缓 慢释放，即形成一次应力松弛过程；对钛合金铸 件试样进行多次同等变形量的等温压缩变形和 多次应力松弛过程，直至钛合金铸件试样达到需 满足的总变形量；达到总变形量后的钛合金铸件 试样立即进行淬火。本发明使钛合金形变织构强 度同直接变形钛合金的织构强度相比减少30％ B 以上，经本发明方法处理后的钛合金的磨损量相 0 比于直接变形的钛合金磨损量减少了35％以上， 0 3 4 达到了很好的弱化形变织构及减少磨损的效果。 7 7 3 1 1 N C CN 113774300 B 权利要求书 1/1页 1.一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征在于，所述钛合金 为Ti‑5553合金，所述方法包括： 将钛合金铸件试样加热升温至变形温度后保温一段时间，然后对所述钛合金铸件试样 进行一次等温压缩变形，每次所述等温压缩变形的变形量≥10%，且保证30%≤总变形量＜ 100%，变形温度在相变点以下100 200℃；~ 在所述等温压缩变形后保持压头不动，使加载的压应力缓慢释放，即形成一次应力松 弛过程，每次所述应力松弛过程的时间为100  s 1000  s；所述应力松弛过程的总次数≥3~ 次； 对所述钛合金铸件试样进行多次同等变形量的所述等温压缩变形和多次所述应力松 弛过程，直至所述钛合金铸件试样达到需满足的总变形量； 达到所述总变形量后的所述钛合金铸件试样立即进行淬火。 2.根据权利要求1所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，所述钛合金铸件试样的制备过程如下： 在经过真空电弧炉熔炼生成的钛合金铸锭中切取圆柱形状试样，对所述圆柱形状试样 表面打磨至去掉氧化皮。 3.根据权利要求2所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，所述圆柱形状试样的直径和高的比值在1:1 1:2之间。~ 4.根据权利要求1所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，所述钛合金铸件试样的加热升温速度设置在1 30  ℃/s之间。~ 5.根据权利要求1所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，当所述钛合金铸件试样加热升温至变形温度后的保温时间为5 30s。~ 6.根据权利要求1所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，整个所述热机械处理过程在热/力模拟试验机上进行。 7.根据权利要求1所述的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，其特征 在于，所述淬火采用水冷淬火处理。 2 2 CN 113774300 B 说明书 1/5页 一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法 技术领域 [0001] 本发明属于钛合金加工技术领域，尤其涉及一种用于弱化钛合金形变织构及减磨 的热机械处理方法。 背景技术 [0002] 钛合金由于具有优异的热加工能力和综合力学性能，而在工程领域的承力构件上 具有广泛的应用和发展前景。但是，钛合金普遍存在耐磨性差的特点，制约了其进一步的应 用和发展，因此提高钛合金的耐磨损性能有重大意义。 [0003] 热机械处理是钛合金成形制造过程中重要的加工流程，具有改善铸态组织的致密 水平和细化组织晶粒尺寸的重要作用。但是，目前的热机械处理过程主要以单向的热压缩 变形和热处理为主，而单向的热变形会导致钛合金的微观组织和内部应变产生严重的不均 匀性，形成显著的晶体织构。钛合金中的晶体织构主要是由β相所引起，β相是体心立方结 构，该晶体结构具有高的弹性各向异性，因此β相形成的晶体织构是钛合金主要的晶体织 构，会对材料的断裂强度造成影响，导致综合力学性能和摩擦学性能的不均匀性，而在某些 服役条件和环境下性能上的不均匀性是需要避免的。因此，发展一种既能通过一定的变形 改善铸态组织和使钛合金产生形变，同时又能弱化形变织构和减少磨损的热机械处理方法 在钛合金生产、加工过程中有实际的工程指导意义。 发明内容 [0004] 本发明针对现有技术中存在的热机械处理过程主要以单向的热压缩变形和热处 理为主，而单向的热变形会导致钛合金的微观组织和内部应变产生严重的不均匀性，形成 显著的晶体织构的技术问题，提供一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方 法，其通过将钛合金试样放入热/力模拟试验机上进行多次等温热力循环压缩变形处理来 达到目的。 [0005] 本发明具体是通过以下技术方案来实现的： [0006] 提供一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，包括： [0007] 将钛合金铸件试样加热升温至变形温度后保温一段时间，然后对所述钛合金铸件 试样进行一次等温压缩变形； [0008] 在所述等温压缩变形后保持压头不动，使加载的压应力缓慢释放，即形成一次应 力松弛过程； [0009] 对所述钛合金铸件试样进行多次同等变形量的所述等温压缩变形和多次所述应 力松弛过程，直至所述钛合金铸件试样达到需满足的总变形量； [0010] 达到所述总变形量后的所述钛合金铸件试样立即进行淬火。 [0011] 作为本发明的进一步说明，所述钛合金铸件试样的制备过程如下： [0012] 在经过真空电弧炉熔炼生成的钛合金铸锭中切取圆柱形状试样，对所述圆柱形状 试样表面打磨至去掉氧化皮。 3 3 CN 113774300 B 说明书 2/5页 [0013] 作为本发明的进一步说明，所述圆柱形状试样的直径和高的比值在1:1～1:2之 间。 [0014] 作为本发明的进一步说明，所述钛合金铸件试样的加热升温速度设置在1～30℃/ s之间。 [0015] 作为本发明的进一步说明，当所述钛合金铸件试样加热升温至变形温度后的保温 时间为5～30s。 [0016] 作为本发明的进一步说明，每次所述等温压缩变形的变形量≥10％，且保证30％ ≤所述总变形量＜100％，变形温度在相变点以下100～200℃；每次所述应力松弛过程的时 间为100s～1000s；所述应力松弛过程的总次数≥3次。 [0017] 作为本发明的进一步说明，整个所述热机械处理过程在热/力模拟试验机上进行。 [0018] 作为本发明的进一步说明，所述淬火采用水冷淬火处理。 [0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： [0020] 本发明通过将钛合金试样放入热/力模拟试验机上进行多次等温热力循环压缩变 形处理，能够在保持钛合金宏观变形的情况下，使经处理后的钛合金形变织构强度同未经 处理而直接变形钛合金的织构强度相比减少30％以上，同时，还能使钛合金耐磨损性能显 著提高，在相同的测试方法下，经本发明方法处理后的钛合金的磨损量相比于未经本发明 方法处理而直接变形的钛合金磨损量减少了35％以上，达到了很好的弱化形变织构及减少 磨损的效果。 附图说明 [0021] 图1为本发明提供的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理工艺图； [0022] 图2为本发明实施例1经过三次热力循环处理和直接变形对照工艺图； [0023] 图3为本发明实施例1经过三次热力循环处理和直接变形的形变织构对比图，其中 (a)为经过三次热力循环处理的形变织构图，(b)直接变形的形变织构图； [0024] 图4为本发明实施例1经过三次热力循环处理和直接变形的磨损体积对比图； [0025] 图5为本发明实施例2经过六次热力循环处理和直接变形对照工艺图； [0026] 图6为本发明实施例2经过六次热力循环处理和直接变形的形变织构对比图，其中 (a)为经过六次热力循环处理的形变织构图，(b)直接变形的形变织构图； [0027] 图7为本发明实施例2经过六次热力循环处理和直接变形的磨损体积对比图。 具体实施方式 [0028] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实 施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例 中的特征可以相互组合。 [0029] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。 [0030] 图1为本发明提供的用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理工艺图，如图1 所示，本发明提供了一种用于弱化钛合金形变织构及减磨的热机械处理方法，包括： 4 4 CN 113774300 B 说明书 3/5页 [0031] 将钛合金铸件试样加热升温至变形温度后保温一段时间，然后对所述钛合金铸件 试样进行一次等温压缩变形； [0032] 在所述等温压缩变形后保持压头不动，使加载的压应力缓慢释放，即形成一次应 力松弛过程； [0033] 对所述钛合金铸件试样进行多次同等变形量的所述等温压缩变形和多次所述应 力松弛过程，直至所述钛合金铸件试样达到需满足的总变形量； [0034] 达到所述总变形量后的所述钛合金铸件试样立即进行淬火。 [0035] 上述热机械处理过程优选在热/力模拟试验机上进行，也即本发明通过将钛合金 铸件试样放入热/力模拟试验机上进行多次等温热力循环压缩变形处理来达到目的。 [0036] 在本发明中，钛合金铸件试样优选采用如下制备过程制得：在经过真空电弧炉熔 炼生成的钛合金铸锭中切取圆柱形状试样，对所述圆柱形状试样表面打磨至去掉氧化皮。 [0037] 在本发明中，上述圆柱形状试样的直径和高的比值优选在1:1～1:2之间，以便满 足热力循环处理的要求。 [0038] 在本发明中，所述钛合金铸件试样的加热升温速度需满足在1～30℃/s之间；当所 述钛合金铸件试样加热升温至变形温度后的保温时间需满足在5～30s，以使试样各部位加 热温度均匀。 [0039] 在本发明中，每次所述等温压缩变形的变形量≥10％，以产生足够的变形畸变能， 且保证30％≤所述总变形量＜100％，变形温度在相变点以下100～200℃；每次所述应力松 弛过程的时间为100s～1000s；所述应力松弛过程的总次数≥3次。 [0040] 在本发明中，经过多次等温热力循环压缩变形处理后的试样立即进行淬火处理后 再取出，能够有效保留其高温组织，其中的淬火优选采用水冷淬火处理。 [0041] 本发明通过将钛合金试样放入热/力模拟试验机上进行多次等温热力循环压缩变 形处理，能够在保持钛合金宏观变形的情况下，使经处理后的钛合金形变织构强度同未经 处理而直接变形钛合金的织构强度相比减少30％以上，同时，还能使钛合金耐磨损性能显 著提高，在相同的测试方法下，经本发明方法处理后的钛合金的磨损量相比于未经本发明 方法处理而直接变形的钛合金磨损量减少了35％以上，达到了很好的弱化形变织构及减少 磨损的效果。 [0042] 以下以优选的两个实施例进行具体说明： [0043] 实施例1 [0044] 一种三次热力循环处理钛合金的方法，包括以下步骤： [0045] S1、试样制备：本实施例采用的钛合金为Ti‑5553合金，相变点约为875℃。其经 30kg/1吨钛真空自耗电弧炉熔炼而成，名义成分为Ti‑5Al‑5Mo‑5V‑3Cr‑0.5Fe。试样为从锻 造棒材中切取的圆柱形状试样，尺寸为 的圆柱，对试样表面进行打磨，去掉氧化皮。 [0046] S2、热力循环处理：将制备好的试样放入Gleeble‑3500热/力模拟试验机上进行多 次等温热力循环压缩变形处理。具体处理过程为：首先将试样以25℃/s的升温速度升温至 720℃的变形温度，到达700℃后保温5s，使加热均匀；之后对试样进行等温压缩变形，总变 ‑1 形量为60％，应变速率为0.001s 。持续变形至总变形量为20％时，保持压头不动，卸载压 力，而使应力缓慢释放，即形成一个应力松弛过程，应力松弛时间持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为40％时，保持压头不动，卸载 5 5 CN 113774300 B 说明书 4/5页 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为60％时，保持压头不动，卸载 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。应力松弛结束 后立即取出试样水冷淬火，以保留其高温组织。 [0047] 对比试样制备：制备一些试样作为对比，不进行热力循环处理，直接连续变形至 60％然后水冷淬火。具体的工艺示意图如2图所示。 [0048] 试样性能测试： [0049] 性能测试样品制备：将经过实施例1的热力循环处理后的试样和直接变形得到的 对比试样沿着圆柱样品任一轴线的方向切开，选择切面中心区域作为形变织构测试和耐磨 性能测试区域。在测试前，需要对测试区域进行打磨和电解抛光，电解抛光液为5％高氯酸 的乙醇溶液，电解抛光的参数为45V，10s，使其满足形变织构测试和耐磨性能测试的要求。 [0050] 形变织构测试：将测试样品放入装备有二次电子背散射(electron backscatter  diffraction,EBSD)探头的扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)中对测 2 试区域进行形变织构的数据采集，数据采集的步长为1μm，采集区域面积为4×2mm 。在数据 采集完成后，利用英国牛津公司的数据分析软件Channel 5软件对采集的数据进行织构类 型和织构强度的分析，并给出最终结果。三次热力循环处理和未经过热力循环处理而直接 变形的形变织构对比如图3所示。 [0051] 耐磨损性能测试：耐磨损性能测试采用室温(25℃)干燥条件下的往复干摩擦实验 类型进行测试。测试设备为美国布鲁克公司的UMT‑TriboLab多功能摩擦磨损试验机，测试 时往复摩擦方向必须垂直于样品的宏观变形方向。所有样品测试时的摩擦参数需保持一 致，主要包括：摩擦副材料为 的GCr15钢球，接触方式、法向载荷、频率、滑动位移和 测试时间分别为点‑面接触、5N、5Hz、1mm和30min。往复干摩擦试验完成后进行磨损量的测 试，测试设备为美国布鲁克公司的三维光学轮廓仪，测试时每个磨坑进行三次的重复测量， 以减小误差。三次热力循环处理和未经过热力循环处理而直接变形的磨损体积对比如图4 所示。 [0052] 经过三次热力循环处理，同直接变形60％的试样相比，织构的最大强度值从6.88 7 3 7 3 减小到4.49，磨损体积从7.33×10μm减小到4.64×10μm；织构强度减少了34％，磨损体 积减少了37％。典型的{001}织构、{111}织构被弱化。 [0053] 实施例2 [0054] 一种六次热力循环处理的制备方法，包括以下步骤： [0055] S1、试样制备：本实施例采用的钛合金为Ti‑5553合金，相变点约为875℃。其经 30kg/1吨钛真空自耗电弧炉熔炼而成，名义成分为Ti‑5Al‑5Mo‑5V‑3Cr‑0.5Fe。试样为从锻 造棒材中切取的圆柱形状试样，尺寸为 的圆柱，对试样表面进行打磨，去掉氧化皮。 [0056] S2、热力循环处理：将制备好的试样放入Gleeble‑3500热/力模拟试验机上进行多 次等温热力循环压缩变形处理。具体处理过程为：首先将试样以25℃/s的升温速度升温至 700℃的变形温度，到达700℃后保温5s，使加热均匀；之后对试样进行等温压缩变形，总变 ‑1 形量为60％，应变速率为0.001s 。持续变形至总变形量为10％时，保持压头不动，卸载压 力，而使应力缓慢释放，即形成一个应力松弛过程，应力松弛时间持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为20％时，保持压头不动，卸载 6 6 CN 113774300 B 说明书 5/5页 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为30％时，保持压头不动，卸载 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为40％时，保持压头不动，卸载 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为50％时，保持压头不动，卸载 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。在应力松弛过 程完成后对试样立即施加压力开始变形，变形至总的变形量为60％时，保持压头不动，卸载 压力，而使应力缓慢释放，再次形成一个应力松弛过程，应力松弛持续100s。应力松弛结束 后立即取出试样水冷淬火，以保留其高温组织。 [0057] 对比试样制备：制备一些试样作为对比，不进行热力循环处理，直接连续变形至 60％然后水冷淬火。具体的工艺示意图如5图所示。 [0058] 试样性能测试： [0059] 性能测试样品制备：将经过实施例2的热力循环处理后的试样和直接变形得到的 对比试样沿着圆柱样品任一轴线的方向切开，选择切面中心区域作为形变织构测试和耐磨 性能测试区域。在测试前，需要对测试区域进行打磨和电解抛光，电解抛光液为5％高氯酸 的乙醇溶液，电解抛光的参数为45V，10s，使其满足形变织构测试和耐磨性能测试的要求。 [0060] 形变织构测试：将测试样品放入装备有二次电子背散射(electron backscatter  diffraction,EBSD)探头的扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)中对测 2 试区域进行形变织构的数据采集，数据采集的步长为1μm，采集区域面积为4×2mm 。在数据 采集完成后，利用英国牛津公司的数据分析软件Channel 5软件对采集的数据进行织构类 型和织构强度的分析，并给出最终结果。六次热力循环处理和未经过热力循环处理而直接 变形的形变织构对比如图6所示。 [0061] 耐磨损性能测试：耐磨损性能测试采用室温(25℃)干燥条件下的往复干摩擦实验 类型进行测试。测试设备为美国布鲁克公司的UMT‑TriboLab多功能摩擦磨损试验机，测试 时往复摩擦方向必须垂直于样品的宏观变形方向。所有样品测试时的摩擦参数需保持一 致，主要包括：摩擦副材料为 的GCr15钢球，接触方式、法向载荷、频率、滑动位移和 测试时间分别为点‑面接触、5N、5Hz、1mm和30min。往复干摩擦试验完成后进行磨损量的测 试，测试设备为美国布鲁克公司的三维光学轮廓仪，测试时每个磨坑进行三次的重复测量， 以减小误差。六次热力循环处理和未经过热力循环处理而直接变形的磨损体积对比如图7 所示。 [0062] 经过六次热力循环处理，同直接变形60％的试样相比，织构的最大强度值从6.88 7 3 7 3 减小到4.28，磨损体积从7.33×10μm减小到3.36×10μm；织构强度减少了38％，磨损体 积减少了55％。典型的{001}织构、{111}织构被弱化。 [0063] 最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照 较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的 技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 7 7 CN 113774300 B 说明书附图 1/4页 图1 图2 8 8 CN 113774300 B 说明书附图 2/4页 图3 图4 9 9 CN 113774300 B 说明书附图 3/4页 图5 图6 10 10 CN 113774300 B 说明书附图 4/4页 图7 11 11

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