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钛合金真空热处理的研究现状及发展趋势

发布者:重庆鼎星渗氮表面处理有限公司 发布时间:2018-2-6 11:34:45 阅读:次 【字体:

  摘要:真空热处理技术具有无氧化、无污染、表面质量好、变形微小等突出特点,是当前国际热处理技术发展的热点。真空固溶处理、真空时效、真空退火是钛合金几种典型的热处理工艺。本文结合国内钛合金真空热处理的研究现状,以真空水淬工艺及自主研制开发的高性能立式真空水淬炉为例,指出立式真空水淬是未来钛合金真空热处理的主要发展方向之一。

  钛合金具有耐腐蚀性强、耐热性好、弹性模量低、无磁性等诸多特性,经固溶处理再时效强化后的比强度远高于高强度铝合金、镁合金及高温合金,甚至与超高强度钢相当,广泛应用于航空航天、国防军工、船舶、生物医用、化工、汽车等领域。如美国F-22战机上钛合金的用量已高达41%,而铝合金和钢的用量分别只有15%和5%。

  真空油淬、真空高压气淬是材料热处理的主要方式之一,真空油淬严重影响钛合金质量,高压气淬冷却速度远不能满足钛合金固溶处理的要求,真空水淬是唯一赋予钛合金固溶强化的关键技术。立式真空水淬冷却速度快、固溶强化效果好,已成为业界竞相研究开发的热点。

  本文根据国内钛合金真空热处理的研究现状,结合中国热处理与表层改性技术路线图中提出的相关发展目标,以研制的新一代立式真空水淬炉为契机,就钛合金真空热处理未来的发展趋势进行了深入的思考与探讨,并指出立式真空水淬是其主要的发展方向之一。

  1. 钛合金热处理强化

  1.1 钛合金的淬火处理

  淬火时效是钛合金热处理强化的主要方式,利用相变产生强化效果,故又称强化热处理。对于纯α型钛合金,热处理的方法基本上不奏效,即钛合金的热处理主要用于α+β型钛合金。冷却方式一般选用水淬,油淬、气淬使用较少,淬火的过程要迅速,以防止β相在转移过程中发生分解,降低时效强化效果。

  1.2 钛合金的相变过程

  热处理强化的基础是钛合金加热及冷却时产生的相变,主要以马氏体相变后,时效分解获得弥散强化为核心。钛合金(以α+β钛合金Ti-5Cr-3Al为例),自高温冷却时,根据冷却速率不同将发生如下转变。

  当合金从固溶温度快速冷却(水淬)时,发生马氏体相变,过程中有亚稳定β(β')形成,室温下得到六方α'相(hcp,马氏体);当冷却速度较慢时(油淬),部分β相转变为ω相;当冷却速度更低时(加压气淬),β相转变为α'与ω相;当冷却速度非常低时(炉冷),β相转变为α与β相;在520℃~720℃范围内,当冷却速度非常缓慢时,发生共析分解β→α+TiCr2(化合物),即α相在原始β相界形核并长大。

  综上所述,欲实现钛合金材料的固溶强化,淬火是前提,淬火过程的冷却速度起决定作用。要得到马氏体相变,需加大冷却速度,只有立式真空水淬能够实现。

  1.3 钛合金热处理强化特点

  钛合金在加热和冷却过程中会发生相变,对于不同合金体系可以通过控制其各自的相变过程,从而得到不同的组织结构。通过不同介质的钛合金冷却试验,可以发现钛合金热处理强化特点主要表现为:

  (1)热处理强化主要用于α+β钛合金、近β钛合金,其他钛合金基本无效;

  (2)与钢铁材料不同,反复热处理相变不能细化晶粒;

  (3)ω相使合金变脆,淬火过程应尽量避免形成ω相;

  (4)马氏体相变不能使钛合金得到强化,只能通过淬火时形成的稳定相(包括马氏体相)的时效分解,即弥散强化;

  (5)α+β钛合金热处理淬火后淬透性不高,淬火热应力大,容易引起长杆状零件变形,因此只能竖向装料,并纵向进入淬火介质内;

  (6)快速冷却比慢速冷却组织中αp相要小一些。

  2. 钛合金真空热处理技术研究现状

  真空热处理技术是根据组织性能要求和构件材料的相变规律,选择适合的冷却介质,使得真空加热的材料和构件在真空环境下按照要求的冷却速度冷却至出炉温度。真空热处理常用冷却介质包括:真空淬火油、非含氧气体以及水,选择不同的冷却介质具有不同的冷却速率。

  2.1 真空油淬冷却技术

  真空油淬冷却利用的冷却介质为真空淬火油,该技术可以替代盐浴、气氛保护热处理,在获得理想的心部组织和力学性能的同时,保证表面的光洁,特别适用于中、高合金钢的淬火。

  目前,真空油淬技术在我国热处理行业应用广泛,通过长期的设备、工艺、淬火油品质的改进,真空油淬技术较为成熟。但是,由于其冷却速率较慢(低于水淬),在钛合金热处理过程中如果控制不得当,容易形成脆性ω相;另一方面,钛合金工件高温加热入油后,在工件表面与油蒸汽接触反应瞬间形成增碳,不利于钛合金性能的提高,因此不太适用于钛合金的真空热处理。

  2.2 真空气淬冷却技术

  真空气淬冷却利用的非含氧型气体作为冷却介质,其特点是在一定范围内,随着炉内气体压力的提高,冷却速度可以随之提高。真空气淬常用的冷却气体是:N2、H2、He和Ar,它们的导热能力有很大差别,H2的冷却能力最强,He次之,N2第三,Ar最次。

  使用40bar H2超高压气淬,其冷却速度可以接近水淬速度,但H2使用较为危险,同时钛合金高温时容易吸H,引起氢脆,因此不能作为钛合金真空热处理的冷却介质;使用20bar He超高压气淬,其冷却速率介于油和水之间,可以取代真空油淬,但He和Ar价格太高,淬火后还需考虑回收,热处理成本过高而不能作为钛合金真空热处理的主要冷却介质;N2廉价、安全,但是冷却能力较差,且高温下与Ti发生强烈反应,降低钛合金材料性能。该技术也不适用于钛合金固溶强化处理。

  2.3 真空水淬冷却技术

  真空水淬技术用水作为淬火介质,特别适用于钛合金工件的固溶处理。真空水淬的工件在真空条件下完成无氧化加热之后,迅速转移至淬火水槽,得到所需的固溶组织。

  目前国际上发达国家正在研究钛合金真空水淬的新工艺与新装备,试图降低钛合金真空热处理生产成本,改善性能,提高产品质量。

  3. 钛合金真空热处理装备现状及发展趋势

  3.1 卧式真空水淬炉的局限

  目前,钛合金真空水淬主要采用传统的卧式真空水淬炉。传统的卧式真空水淬炉由卧式真空油淬炉演变而来,不同之处在于淬火介质由油改成了水,这样带来了诸多缺点:

  1、工件转移时间长(大于10s);

  2、污染加热室;

  3、真空泵油乳化,污染环境;

  4、需氩气洗炉,运行成本高。

  鉴于此,顶立科技开发了新一代VVWQ系列立式真空水淬炉设备,专门用于钛合金材料的真空热处理。该设备除了具有高真空加热,水介质中淬火固溶外,还能够精确控制被处理的钛合金零件从加热室到淬火室转移时间,最大限度地减少零件的热处理畸变,经真空热处理后钛合金工件表面光亮,为钛合金材料热处理强化技术提供了设备保障。

  4. 结束语

  1、钛合金固溶强化需要快速冷却,同时易与C、N、O、H等发生强烈反应,注定其最佳的淬火工艺为真空水淬,立式真空水淬是其发展的主要方向之一;

  2、卧式真空水淬炉转移时间较长,已经不再适应现代化钛合金热处理工艺的要求,立式真空水淬炉是今后真空热处理装备发展的必然趋势;

  3、顶立科技研制的新一代立式真空水淬炉,解决了传统设备诸多的关键技术难题,设备结构新颖、技术先进,不仅适用于钛合金固溶处理,同时还可以扩展应用于铍青铜、铝合金、镍基及钴基高弹性合金、410不锈钢等真空加热水介质固溶处理,应用前景十分广阔

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