鈦合金的熱處理特點(diǎn)

（1）馬氏體相變不會(huì)使鈦合金的性能發(fā)生顯著變化。這個(gè)特點(diǎn)與鋼的馬 氏 體相變不同，鈦合金的熱處理強(qiáng)化只能依賴(lài)淬火形成的亞穩(wěn)相(包括馬氏體相)的時(shí)效分解，況且對(duì)于純a型鈦合金熱處理的方法基本上不能有效，即鈦合金的熱處理主要用于α+β型鈦合金。

（2）熱處理應(yīng)該避免形成ω相。形成ω相會(huì)使鈦合金變脆，正確選擇時(shí)效工藝(例如，采用較高的時(shí)效溫度)即可使ω相分解。

（3）利用反復(fù)相變難于細(xì)化鈦合金晶粒。這一點(diǎn)也不同于鋼鐵材料，大多數(shù)的鋼可以利用奧氏體與珠光體(或鐵素體、滲碳體)的反復(fù)相變控制新相形核與長(zhǎng)大，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的，而鈦合金中沒(méi)有這樣的現(xiàn)象。

（4）導(dǎo)熱性差。導(dǎo)熱性差可導(dǎo)致鈦合金，尤其是α+β鈦合金的淬透性差，淬火熱應(yīng)力大，淬火時(shí)零件易翹曲。由于導(dǎo)熱性差，鈦合金變形時(shí)易引起局部溫升過(guò)高，使局部溫度有可能超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)而形成魏氏組織。

（5）化學(xué)性活潑。熱處理時(shí)，鈦合金易與氧和水蒸氣反應(yīng)，在工件表面形成具有一定深度的富氧層或氧化皮，使合金的性能降低。同時(shí)鈦合金熱處理時(shí)容易吸氫，引起氫脆。

（6）β轉(zhuǎn)變點(diǎn)差異大。即使是同一成分，但由于冶煉爐次的不同，其β轉(zhuǎn)變溫度有時(shí)差別很大。

（7）在β相區(qū)加熱時(shí)，β晶粒長(zhǎng)大傾向大。β晶粒粗化可使合金塑性急劇下降，故應(yīng)嚴(yán)格控制加熱的溫度和時(shí)間，并慎用在β相區(qū)加熱的熱處理。

合金的熱處理類(lèi)型

鈦合金的相變是鈦合金熱處理的基礎(chǔ)，為了改善鈦合金的性能，除采用合理的合金化外，還要配合適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍軐?shí)現(xiàn)。鈦合金的熱處理種類(lèi)較多，常用的有退火處理、時(shí)效處理、形變熱處理和化學(xué)熱處理等。
 

退火適用于各種鈦合金，其主要目的是消除應(yīng)力，提高合金塑性及穩(wěn)定組織。退火的形式包括去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火、雙重退火、等溫退火和真空退火等，鈦合金各種方式退火溫度范圍如圖1所示。

圖1 鈦合金各方式退火溫度范圍示意圖

（1）去應(yīng)力退火。為了消除鑄造、冷變形及焊接等工藝過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，可采用去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火的溫度應(yīng)低于再結(jié)晶溫度，一般為450~650℃，所需的時(shí)間取決于工件的截面尺寸、加工歷史及所需消除應(yīng)力的程度。

（2）普通退火。其目的是使鈦合金半成品消除基本應(yīng)力，并具有較高的強(qiáng)度和符合技術(shù)條件要求的塑性。退火溫度一般與再結(jié)晶開(kāi)始溫度相當(dāng)或略低，此種退火工藝一般冶金產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)使用，所以又可以稱(chēng)為工廠(chǎng)退火。

（3）完全退火。目的是完全消除加工硬化，穩(wěn)定組織和提高塑性。這一過(guò)程主要發(fā)生再結(jié)晶，故亦稱(chēng)再結(jié)晶退火。退火溫度最好介于再結(jié)晶溫度和相變溫度之間，如果超過(guò)了相變溫度會(huì)形成魏氏組織而使合金的性能惡化。對(duì)于各種不同種類(lèi)的鈦合金，退火的類(lèi)型、溫度和冷卻方式均不同。

（4）雙重退火。為了改善合金的塑性、斷裂韌性和穩(wěn)定組織可采用雙重退火。退火后的合金組織更加均勻和接近平衡狀態(tài)。耐熱鈦合金為了保證在高溫及長(zhǎng)期應(yīng)力作用下組織和性能的穩(wěn)定，常采用此類(lèi)退火。雙重退火是對(duì)合金進(jìn)行兩次加熱和空冷。第一次高溫退火加熱溫度高于或接近再結(jié)晶終了溫度，使再結(jié)晶充分進(jìn)行，又不使晶粒明顯長(zhǎng)大，并控制ap相的體積分?jǐn)?shù)。空冷后組織還不夠穩(wěn)定，需進(jìn)行第二次低溫退火，退火溫度低于再結(jié)晶溫度，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，使高溫退火得到的亞穩(wěn)β相充分分解。

（5）等溫退火。等溫退火可獲得最好的塑性和熱穩(wěn)定性。此種退火適用于β穩(wěn)定元素含量較高的雙相鈦合金。等溫退火采用分級(jí)冷卻的方式，即加熱至再結(jié)晶溫度以上保溫后，立即轉(zhuǎn)入另一較低溫度的爐中（一般600~650℃）保溫，而后空冷至室溫。

淬火時(shí)效是鈦合金熱處理強(qiáng)化的主要方式，利用相變產(chǎn)生強(qiáng)化效果，故又稱(chēng)強(qiáng)化熱處理。鈦合金熱處理的強(qiáng)化效果決定于合金元素的性質(zhì)、濃度及熱處理規(guī)范，因?yàn)檫@些因素影響合金淬火所得的亞穩(wěn)定相的類(lèi)型、成分、數(shù)量和分布，以及亞穩(wěn)定相分解過(guò)程中析出相的本質(zhì)、結(jié)構(gòu)、彌散程度等，而這些又與合金的成分、熱處理工藝規(guī)范和原始組織有關(guān)。

對(duì)于成分一定的合金，時(shí)效強(qiáng)化效果取決于所選的熱處理工藝。淬火溫度越高，時(shí)效強(qiáng)化效果越明顯，但高于β轉(zhuǎn)變溫度淬火，由于晶粒過(guò)分粗大而導(dǎo)致脆性。對(duì)于濃度較低的兩相鈦合金可采用較高溫度淬火，以獲得更多的馬氏體，而濃度較高的兩相鈦合金則選用較低溫度淬火，以得到較多的亞穩(wěn)β相，這樣可以獲得最大的時(shí)效強(qiáng)化效果。冷卻方式一般選用水冷或者油冷，淬火的過(guò)程要迅速，以防止β相在轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)生分解，降

低時(shí)效強(qiáng)化效果。時(shí)效溫度和時(shí)間的選擇應(yīng)以獲得最好的綜合性能為準(zhǔn)則，一般α+β型鈦合金時(shí)效溫度為500~600℃，時(shí)間4~12h；而β型鈦合金的時(shí)效溫度為450~550℃，時(shí)間8~24h，冷卻方式均采用空冷。

形變熱處理是將壓力加工（鍛、軋等）與熱處理工藝有效地結(jié)合起來(lái)，可同時(shí)發(fā)揮形變強(qiáng)化與熱處理強(qiáng)化的作用，得到與單一的強(qiáng)化方法所不能獲得的組織與綜合性能。常見(jiàn)的形變熱處理工藝如圖2所示。不同類(lèi)型的形變熱處理按照變形溫度與再結(jié)晶溫度和相轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)，按變形溫度分為:

圖2 鈦合金的形變熱處理工藝過(guò)程示意

(a)高溫形變熱處理；(b)低溫形變熱處理

1-加熱；2-水冷；3-時(shí)效；4-高或低溫變形；t_β-β相變點(diǎn)；t_再-再結(jié)晶溫度

（1）高溫形變熱處理。加熱到再結(jié)晶溫度以上，變形40%~85%后迅速淬火，再進(jìn)行常規(guī)的時(shí)效熱處理。

（2）低溫形變熱處理。在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行變形50%左右，隨后再進(jìn)行常規(guī)的時(shí)效處理。

（3）復(fù)合形變熱處理。將高溫形變熱處理和低溫形變熱處理結(jié)合起來(lái)的一種工藝。

鈦合金的摩擦系數(shù)較大，耐磨性差(一般比鋼約低40%)，在接觸表面上容易產(chǎn)生黏結(jié)，引起摩擦腐蝕。在氧化介質(zhì)中鈦合金的耐腐蝕性較強(qiáng)，但在還原介質(zhì)(鹽酸、硫酸等)中的抗腐蝕性較差。為了改善這些性能，可采用電鍍、噴涂和化學(xué)熱處理(滲氮、滲氧等)等方法。滲氮后的氮化層硬度比未氮化時(shí)表層高2~4倍，因而明顯提高合金的耐磨性，同時(shí)還改善合金在還原性介質(zhì)中的抗蝕性；滲氧可將合金耐蝕性提高7~9倍，但合金的塑性和疲勞強(qiáng)度會(huì)有不同程度的損失

由于鈦異常活潑，很容易受碳、氧、氫、氧的污染，使合金性能變壞，所以鈦合金熱處理時(shí)應(yīng)采用真空爐或氬氣保護(hù)；如果在氧化性氣氛中加熱，則應(yīng)嚴(yán)格控制和去除工件表面氧化層。需要進(jìn)行真空熱處理的鈦合金零件也越來(lái)越多，除了通常進(jìn)行的鈦合金鈑金件和鑄件的去應(yīng)力退火、鈦合金緊固標(biāo)準(zhǔn)件的固溶處理和時(shí)效處理、鈦合金的除氫退火均需在真空爐中進(jìn)行以外，高強(qiáng)度鈦合金鈑金零件的約束時(shí)效處理也必須在真空爐中進(jìn)行。真空熱處理是鈦合金零件制造過(guò)程中的關(guān)鍵工序，其最終性能在很大程度上取決于熱處理的正確進(jìn)行。

真空熱處理的一個(gè)主要參數(shù)是真空工作壓強(qiáng)，航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在真空退火過(guò)程中，為避免因真空壓強(qiáng)過(guò)低而產(chǎn)生真空表面腐蝕，一般應(yīng)將真空工作壓強(qiáng)控制在不小于2×10-3Pa。也有采用高純氬氣進(jìn)行分壓控制的。

惰性氣體可以作為保護(hù)性氣氛的加熱介質(zhì)，也可用于真空固溶處理時(shí)的淬火介質(zhì)。由于鈦的化學(xué)活性比較高，所以對(duì)于氬氣的純度也有更高的要求。純度不小于99.99%的純氬一般不適用于鈦合金的熱處理。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)惰性氣體（氦和氬）的露點(diǎn)要求為不高于－54℃。航標(biāo)規(guī)定采用符合GB／T10624的高純氬，純度不小于99.999%。

國(guó)內(nèi)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)真空爐熱處理后工件的出爐溫度做出規(guī)定，航標(biāo)規(guī)定了真空熱處理后工件應(yīng)在200℃以下出爐空冷。在惰性氣體或真空中加熱的鈦件表面出現(xiàn)淡黃色氧化膜時(shí)可不清除；若零件表面存在淡藍(lán)色、藍(lán)色或灰色氧化膜時(shí)必須按空氣爐規(guī)定清除。

鈦合金固溶處理加熱完成后的冷卻要嚴(yán)格按淬火要求進(jìn)行，如果冷速過(guò)低，合金的相成分發(fā)生明顯擴(kuò)散，將嚴(yán)重影響時(shí)效強(qiáng)化效果。通常鈦合金工件淬火允許的延遲時(shí)間必須符合表1的要求。

表1 鈦合金最長(zhǎng)淬火延遲時(shí)間

鈦合金半成品、零件、結(jié)構(gòu)件的熱處理可以在電爐中加熱，但不應(yīng)在氣體火焰爐或重油爐中加熱。鈦合金件表面的氧化層必須清除，其清除方法包括酸洗、化學(xué)銑切、噴砂或機(jī)加工等。鈦合金的精加工件表面的氧化層去除后，還應(yīng)根據(jù)規(guī)定清除一定厚度的基體金屬，其具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 去除基體金屬最小深度

注：在進(jìn)行多道次加熱時(shí)，可在最后一道加熱后消除氧化層，加熱時(shí)間以各次相加計(jì)算。

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