一种两相钛合金显微组织细化方法技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种细小等轴组织钛合金的制备工艺，
尤其涉及一种两相钛合金微观组织细化方法。
背景技术
钛合金以其优异的性能，被广泛的应用在航天航空领域。为了更进一步挖掘钛合
金的潜能，国内外学者对其进行了不懈的研究，其中组织细化是改善金属及合金的有效方
法之一。目前细化钛合金的方法很多，例如：通过热氢处理、循环热处理、形变热处理都可以
使钛合金晶粒细化到微米级别；Severe plastic deformation(SPD)和equal-channel
angular pressing(ECAP)手段，均可使得Ti-6Al-4V组织细化到纳米级和亚微米级；
I.P.Semenova研究发现Ti-6Al-4V在不损害塑性的前提下，抗拉强度可以达到1500MPa。SPD
和ECAP是两种很有效的细化组织的工艺，但是他们对设备和工艺要求很高，并且也存在一
些问题，如：晶化的材料因为金属间化合物的存在而使得材料非常的脆。
因此有必要提出一种既能有效细化晶粒，又操作简单、易控、对设备要求不高的钛
合金细化工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细化钛合金显微组织的方法，该方法简单易行，成本
低，并能得到组织细小均匀的显微组织，有利于提高材料的强度、塑性、韧性、疲劳能力及耐
腐蚀性能等，充分挖掘钛合金的潜能，扩大其应用范围。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种两相钛合金显微组织细化方法，首先，在相变点之上(10-20)℃对坯料短
时保温后快速冷却；然后，将坯料在相变点之下(50-80)℃进行热(温)加工，加工后迅速冷
却，获得组织细小、均匀的等轴α组织。并且，该变形组织通过去应力退火或固溶时效后，依
然能获得细小，均匀地组织。
本发明优选的所述两相钛合金显微组织细化方法，具体包括以下步骤：
a.在相变点Tβ之上(10-20)℃对坯料短时保温，保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料
厚度mm，加热系数η1取0.4-0.7；然后对完成保温的坯料进行快速冷却；此步骤的保温可以
确保α相刚好转化成β相，并且β晶粒刚好形成，未长大；快速冷却后可以得到细小均匀的晶
内含有细针α相的等轴β晶粒；
b.在两相区相变点Tβ之下(50-80)℃对步骤a冷却后的坯料保温，保温时间t＝η2×
H2，其中H2为坯料厚度mm，加热系数η2取0.4-0.8，确保坯料热透，然后快速开始进行热加工，
加工率>40％，一火次变形，第一道次加工率不小于50％；热加工后快速冷却得到细小均匀
的组织。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的短时保温温度在相变点Tβ之上(10-15)
℃；最优选相变点Tβ之上10℃。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的保温时间t＝η1×H1，其中H1为坯料厚度
mm，加热系数η1取0.5-0.6。
本发明进一步优选的方案中，步骤a所述的快速冷却为水淬。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的保温温度是在两相区相变点Tβ之下50
℃或80℃。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的保温时间t＝η2×H2，其中H2为坯料厚度
mm，加热系数η2取0.5-0.6。
本发明进一步优选的方案中，步骤b所述的快速冷却为水淬。
本发明的一种具体实施方式，包括以下步骤：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃保
温10分钟，水淬；然后将板坯在920℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形量
不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
本发明的另一种具体实施方式，包括以下步骤：将18mm的TC21钛合金板坯在980℃
保温10分钟，水淬；然后将板坯在890℃保温10分钟，接着快速一火次轧制，其第一道次变形
量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，得到细小的微观组织。
本发明的方法，最关键的就是将预变形后的坯料进行前期处理，即β区短时保温，
得到细小的具有针状α相的等轴晶粒；发明人经大量实验验证，当热处理温度小于(Tβ+10)
℃时，组织α相向β相转变不完全，而当热处理温度大于(Tβ+20)℃时，β晶粒生长速率显著增
加，只有在Tβ之上(10-20)℃这个温度范围内β相的生长才能得到有效控制，才能确保α相刚
好转化成β相，并且β晶粒刚好形成尚未长大。此外，本发明方法中的后期热加工，属于较高
温度下的大变形锻造(加工率＞40％)，采用一火次，第一道次大变形，热加工后采用水淬等
快速冷却处理，目的是尽可能地抑制晶粒的长大；本发明的所述热加工工艺能够更近一步
促进合金内部细小组织的形成，而且不容易发生龟裂。
最终，通过本发明所述的方法，得到了细小晶粒的两相组织，经普通退火后得到大
约500-600nm的等轴α晶。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在操作简单易行、对设备要求不高、成本
相对较低、很容易推广、适合工业化生产等多方面。
附图说明
图1a和图1b是热处理后预变形坯料组织形貌图；其中，图1a是500x金相照片，图1b
是10000xSEM照片。从图中可以看到，短时保温后组织中α相刚好转化成β相，并且β晶粒刚好
形成，未长大，等轴β晶粒细小均匀，晶内含有细针α相。
图2是实施例一处理后坯料固溶实效组织形貌图，从图中可以看到细小的等轴组
织。
图3是实施例二处理后坯料固溶实效组织形貌图，从图中可以看到细小的等轴组
织。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的技术方案，以下对本发明的具体实施方式加以描述，
并通过列举实施例的方式进一步对本发明做出阐述，但是本发明的技术方案并不限于下文
所描述的某种具体实施方式和所列举的某些具体实施例。
实施例一：
取TC21钛合金加工成的18mm板坯，将炉温升高到980℃，将板坯放入炉中保温10分
钟，水淬，得到细小均匀的晶内含有细针α相的等轴β晶粒(组织形貌见附图1a、1b)。再将所
述板坯在电阻炉中，在变形温度920℃短时保温10分钟，然后快速一火次轧制，其第一道次
变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，水淬，TC21得到了细小的微观组织，在经
过后续的热处理，TC21微观组织成细小的等轴组织，见附图2。
实施例二：
取TC21钛合金加工成的18mm板坯，将炉温升高到980℃，将板坯放入炉中保温10分
钟，水淬，然后在电阻炉中预热，即在变形温度890℃保温10分钟，然后快速一火次轧制，其
第一道次变形量不小于50％，经过50％，65％，80％变形后，水淬，TC21得到了细小的微观组
织，在经过后续的热处理，TC21微观组织更加的细小，见附图3。