鈦合金真空熱處理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

戴煜 馬衛(wèi)東 李禮

鈦合金具有耐腐蝕性強(qiáng)、耐熱性好、彈性模量低、無磁性等諸多特性，經(jīng)固溶處理再時(shí)效強(qiáng)化后的比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金及高溫合金，甚至與超高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、船舶、生物醫(yī)用、化工、汽車等領(lǐng)域[1]。如美國(guó)F-22戰(zhàn)機(jī)上鈦合金的用量已高達(dá)41%，而鋁合金和鋼的用量分別只有15%和5%[2]。真空油淬、真空高壓氣淬是材料熱處理的主要方式之一，真空油淬嚴(yán)重影響鈦合金質(zhì)量，高壓氣淬冷卻速度遠(yuǎn)不能滿足鈦合金固溶處理的要求，真空水淬是唯一賦予鈦合金固溶強(qiáng)化的關(guān)鍵技術(shù)[3]。立式真空水淬冷卻速度快、固溶強(qiáng)化效果好，已成為業(yè)界競(jìng)相研究開發(fā)的熱點(diǎn)。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)鈦合金真空熱處理的研究現(xiàn)狀，結(jié)合中國(guó)熱處理與表層改性技術(shù)路線圖提出的相關(guān)發(fā)展目標(biāo)，以研制的新一代立式真空水淬爐為契機(jī)，就鈦合金真空熱處理未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入的思考與探討，并指出立式真空水淬是其主要的發(fā)展方向之一。

一、鈦合金熱處理強(qiáng)化

1.鈦合金的淬火處理

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，故又稱強(qiáng)化熱處理。對(duì)于純?chǔ)列外伜辖?，熱處理的方法基本上不奏效，即鈦合金的熱處理主要用于?β型鈦合金。冷卻方式一般選用水淬，油淬、氣淬使用較少，淬火的過程要迅速，以防止β相在轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生分解，降低時(shí)效強(qiáng)化效果。

2.鈦合金的相變過程

熱處理強(qiáng)化的基礎(chǔ)是鈦合金加熱及冷卻時(shí)產(chǎn)生的相變，主要以馬氏體相變后，時(shí)效分解獲得彌散強(qiáng)化為核心[4]。以α+β鈦合金鈦（Ti）-5鉻（Cr）-3鋁（Al）為例，自高溫冷卻時(shí)，根據(jù)冷卻速率不同將發(fā)生圖1所示的轉(zhuǎn)變[5]。

由圖1可知，當(dāng)合金從固溶溫度快速冷卻（水淬）時(shí)，發(fā)生馬氏體相變，過程中有亞穩(wěn)定β（β）形成，室溫下得到六方α相（hcp，馬氏體）；當(dāng)冷卻速度較慢時(shí)（油淬），部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣叵啵划?dāng)冷卻速度更低時(shí)（加壓氣淬），β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣僚cω相；當(dāng)冷卻速度非常低時(shí)（爐冷），β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣僚cβ相；在520℃～720℃范圍內(nèi)，當(dāng)冷卻速度非常緩慢時(shí)，發(fā)生共析分解β→α+TiCr2（化合物），即α相在原始β相界形核并長(zhǎng)大。

綜上所述，欲實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的固溶強(qiáng)化，淬火是前提，淬火過程的冷卻速度起決定作用。要得到馬氏體相變，需加大冷卻速度，只有立式真空水淬能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.鈦合金熱處理強(qiáng)化特點(diǎn)

鈦合金在加熱和冷卻過程中會(huì)發(fā)生相變，對(duì)于不同合金體系可以通過控制其各自的相變過程，從而得到不同的組織結(jié)構(gòu)。通過不同介質(zhì)的鈦合金冷卻試驗(yàn)（如圖2所示），可以發(fā)現(xiàn)鈦合金熱處理強(qiáng)化特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①熱處理強(qiáng)化主要用于α+β鈦合金、近β鈦合金，其他鈦合金基本無效；②與鋼鐵材料不同，反復(fù)熱處理相變不能細(xì)化晶粒；③ω相使合金變脆，淬火過程應(yīng)盡量避免形成ω相；④馬氏體相變不能使鈦合金得到強(qiáng)化，只能通過淬火時(shí)形成的穩(wěn)定相（包括馬氏體相）的時(shí)效分解，即彌散強(qiáng)化；⑤α+β鈦合金熱處理淬火后淬透性不高，淬火熱應(yīng)力大，容易引起長(zhǎng)桿狀零件變形，因此只能豎向裝料，并縱向進(jìn)入淬火介質(zhì)內(nèi)；⑥快速冷卻比慢速冷卻組織中αp相要小一些。

二、鈦合金真空熱處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

真空熱處理技術(shù)是根據(jù)組織性能要求和構(gòu)件材料的相變規(guī)律，選擇適合的冷卻介質(zhì)，使得真空加熱的材料和構(gòu)件在真空環(huán)境下按照要求的冷卻速度冷卻至出爐溫度。真空熱處理常用冷卻介質(zhì)包括：真空淬火油、非含氧氣體和水，選擇不同的冷卻介質(zhì)具有不同的冷卻速率[6]，如圖3所示。

1.真空油淬冷卻技術(shù)

真空油淬冷卻利用的冷卻介質(zhì)為真空淬火油，該技術(shù)可以替代鹽浴、氣氛保護(hù)熱處理，在獲得理想的心部組織和力學(xué)性能的同時(shí)，保證表面的光潔，特別適用于中、高合金鋼的淬火[7]。

目前，真空油淬技術(shù)在我國(guó)熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過長(zhǎng)期的設(shè)備、工藝、淬火油品質(zhì)的改進(jìn)，真空油淬技術(shù)較為成熟。但是，由于其冷卻速率較慢（低于水淬），在鈦合金熱處理過程中如果控制不得當(dāng)，容易形成脆性ω相；另一方面，鈦合金工件高溫加熱入油后，在工件表面與油蒸汽接觸反應(yīng)瞬間形成增碳，不利于鈦合金性能的提高，因此不太適用于鈦合金的真空熱處理。

2.真空氣淬冷卻技術(shù)

真空氣淬冷卻利用的非含氧型氣體作為冷卻介質(zhì)，其特點(diǎn)是在一定范圍內(nèi)，隨著爐內(nèi)氣體壓力的提高，冷卻速度可以隨之提高。真空氣淬常用的冷卻氣體是：氮?dú)猓∟2）、氫氣（H2）、氦氣（He）和氬氣（Ar），它們的導(dǎo)熱能力有很大差別，H2的冷卻能力最強(qiáng)，He次之，N2第3，Ar最次[8]。

使用40bar H2超高壓氣淬，其冷卻速度可以接近水淬速度，但H2使用較為危險(xiǎn)，同時(shí)鈦合金高溫時(shí)容易吸H引起氫脆，因此不能作為鈦合金真空熱處理的冷卻介質(zhì)；使用20bar He超高壓氣淬，其冷卻速率介于油和水之間，可以取代真空油淬，但He和Ar價(jià)格太高，淬火后還需考慮回收，熱處理成本過高而不能作為鈦合金真空熱處理的主要冷卻介質(zhì)；N2廉價(jià)、安全，但是冷卻能力較差，且高溫下與Ti發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，降低鈦合金材料性能。該技術(shù)也不適用于鈦合金固溶強(qiáng)化處理。

3.真空水淬冷卻技術(shù)

真空水淬技術(shù)用水作為淬火介質(zhì)，特別適用于鈦合金工件的固溶處理。真空水淬的工件在真空條件下完成無氧化加熱之后，迅速轉(zhuǎn)移至淬火水槽，得到所需的固溶組織。

目前國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家正在研究鈦合金真空水淬的新工藝與新裝備，試圖降低鈦合金真空熱處理生產(chǎn)成本、改善性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

三、鈦合金真空熱處理裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.臥式真空水淬爐的局限

目前，鈦合金真空水淬主要采用傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐（如圖4所示）。傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐由臥式真空油淬爐演變而來，不同之處在于淬火介質(zhì)由油改成了水，這樣帶來了諸多缺點(diǎn)：①工件轉(zhuǎn)移時(shí)間長(zhǎng)（大于10s）；②污染加熱室；③真空泵油乳化，污染環(huán)境；④需氬氣洗爐，運(yùn)行成本高。

鑒于此，湖南頂立科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“頂立科技”）開發(fā)了新一代VVWQ系列立式真空水淬爐設(shè)備，專門用于鈦合金材料的真空熱處理。該設(shè)備除了具有高真空加熱，水介質(zhì)中淬火固溶外，還能夠精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉(zhuǎn)移時(shí)間，最大限度地減少零件的熱處理畸變，經(jīng)真空熱處理后鈦合金工件表面光亮，為鈦合金材料熱處理強(qiáng)化技術(shù)提供了設(shè)備保障。

2.立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其部件結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)見下：

（1）加熱室結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

該立式真空水淬爐采用無碳元素的金屬屏熱場(chǎng)，輔以高真空加熱環(huán)境。爐膽為整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加熱元件采用鉬鑭合金帶，隔熱屏是由鉬屏與不銹鋼屏組成的復(fù)合隔熱屏，最高加熱溫度可達(dá)1 350℃、均溫性≤±5℃，對(duì)鈦合金而言是一個(gè)穩(wěn)定、清潔的加熱場(chǎng)；加熱室真空獲得系統(tǒng)配置了三級(jí)泵組，即機(jī)械泵+羅茨泵+擴(kuò)散泵，可以得到相當(dāng)于雜質(zhì)含量≤0.01ppm氣氛加熱環(huán)境（真空度≤5×10-3Pa），為鈦合金光亮、無氧化熱處理強(qiáng)化提供保障。

（2）淬火室結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

淬火室采用圓筒型特殊結(jié)構(gòu)，配有一套用于橫向轉(zhuǎn)移的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)淬火室3工位運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)工位最重要的是與加熱室的對(duì)接工位，只有完成雙室對(duì)接，才可完成水介質(zhì)中淬火；淬火室內(nèi)部裝有1套物料升降機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，用于鈦合金工件的輸送（裝料室至加熱室）與轉(zhuǎn)移（加熱室至淬火室），轉(zhuǎn)移時(shí)間<6s，且無水蒸氣污染真空泵組；淬火室配有1套獨(dú)立的真空系統(tǒng)，可提供粗真空狀態(tài)（真空度≤10Pa），確保工件從加熱室轉(zhuǎn)移至淬火室的過程中工件不被氧化；淬火室內(nèi)配置水溫傳感器、加熱器、制冷系統(tǒng)、水位傳感器及1套水?dāng)嚢柘到y(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淬火介質(zhì)溫度的精確控制（水溫維持在10～15℃左右），水?dāng)嚢柘到y(tǒng)對(duì)淬火介質(zhì)強(qiáng)烈攪拌提高冷卻效果，給予鈦合金工件更均勻的冷卻。

（3）立式真空水淬爐優(yōu)勢(shì)

鈦合金工件加熱、保溫結(jié)束后，由加熱室進(jìn)入水介質(zhì)，直至工件全部浸沒，完成固溶處理的整個(gè)轉(zhuǎn)移過程所耗費(fèi)的時(shí)間為淬火延遲時(shí)間。淬火延遲時(shí)間理論上越小越好，否則隨著延遲時(shí)間的增加，鈦合金工件表面的溫度下降，對(duì)鈦合金材料發(fā)生馬氏體相變及顯微組織十分不利，進(jìn)而影響性能。尤其對(duì)α+β鈦合金，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：淬火延遲時(shí)間應(yīng)該控制在8s以下，否則組織上的α相將首先在原始β相界形核并長(zhǎng)大，嚴(yán)重影響鈦合金淬火狀態(tài)的力學(xué)性能[9]。

圖6為立式真空水淬爐所處理工件從加熱室轉(zhuǎn)移到淬火室的軌跡示意圖。工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理，僅需垂直降落，無∏型運(yùn)行軌跡，工件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)縮短，可達(dá)到小于6s，且無水蒸氣污染真空泵組，相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優(yōu)越性。除此之外，采用立式結(jié)構(gòu)，十分適用于淬透性不強(qiáng)，長(zhǎng)桿狀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理，畸變量十分微小。

中國(guó)某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設(shè)備專門處理TC4鈦合金，工件尺寸外形為Φ20mm×200mm，工藝內(nèi)容為固溶+時(shí)效，取得了良好的效果。

檢測(cè)結(jié)果表明：①外觀。工件處理完畢后，表面光亮，無氧化色。②淬透性。Φ20mm截面內(nèi)全部淬透。③畸變量。較小，全跳動(dòng)量增加0.02mm。經(jīng)過處理，工件的機(jī)械性能大幅提高，具體如表1所示。

四、結(jié)語(yǔ)

鈦合金固溶強(qiáng)化需要快速冷卻，同時(shí)易與碳（C）、氮（N）、氧（O）、氫（H）等發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，注定其最佳的淬火工藝為真空水淬，立式真空水淬是其發(fā)展的主要方向之一。臥式真空水淬爐轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)代化鈦合金熱處理工藝的要求，立式真空水淬爐是今后真空熱處理裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。頂立科技研制的新一代立式真空水淬爐，解決了傳統(tǒng)設(shè)備諸多的關(guān)鍵技術(shù)難題，設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進(jìn)，不僅適用于鈦合金固溶處理，同時(shí)還可以擴(kuò)展應(yīng)用于鈹青銅、鋁合金、鎳基及鈷基高彈性合金、410不銹鋼等真空加熱水介質(zhì)固溶處理，應(yīng)用前景十分廣闊。

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