鈦合金材料的熱處理工藝及控制研究

姜雨昂

摘 要：由于鈦合金材料具有化學(xué)性能良好的特點(diǎn)，因此在工業(yè)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在航空制造愜意中，鈦合金材料更是發(fā)揮出了其強(qiáng)度高以及質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且得到了行業(yè)的認(rèn)可。鑒于此，本文就鈦合金材料的熱處理工藝及控制展開探討，以期為相關(guān)工作起到參考作用。

關(guān)鍵詞：鈦合金;熱處理;工藝;控制

中圖分類號：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0072-02

1 材料控制

鈦合金材料在入廠之前，需要對鈦合金材料的合格證、規(guī)格、標(biāo)識、毛坯尺寸、試驗(yàn)情況以及數(shù)量等各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢查，使其具備相應(yīng)性能指標(biāo)的要求。鈦零件材料的退火組織通?？杀环譃棣痢⒔?、β以及α-β等4種類型，如表1所示為熱處理之后的鈦零件狀態(tài)以及相應(yīng)符號。

惰性氣體、空氣或者真空都能夠作為爐內(nèi)的加熱介質(zhì)。如果要求零件表面不受污染，就需要將其置于惰性氣體或者真空環(huán)境中進(jìn)行加熱處理，該過程不僅會用到吸熱或者放熱式氣氛，同時(shí)還會出現(xiàn)氨氣裂解之后的氫氣氣氛。通常情況下，冷卻介質(zhì)有惰性氣體、空氣以及油或水，不能使用鹽浴。

2 設(shè)備控制

2.1 加熱設(shè)備

應(yīng)該用惰性氣體、空氣爐以及真空爐做好鈦合金零件的加熱處理工作，以此來最大限度降低氮?dú)?、氧氣以及氫氣對鈦合金零件的污染程度。同時(shí)，應(yīng)該確保進(jìn)行過熱處理之后的鈦合金零件滿足工程圖樣標(biāo)準(zhǔn)。加熱設(shè)備的配套儀表裝置還應(yīng)該具備控溫、記錄以及超溫報(bào)警等方面的作用。熱處理工作進(jìn)行完之后，需要對鈦合金零件表面運(yùn)用空氣爐加熱來除去污染狀況。

2.2 冷卻設(shè)備

在淬火槽中配備冷卻、加熱介質(zhì)，在每臺淬火槽中還應(yīng)該配備分辨率小于5℃的控溫裝置以及溫度儀表。在使用厚板、薄板以及帶狀材料進(jìn)行固溶預(yù)熱處于之后，需要適應(yīng)流體淬火或者是噴霧冷卻系統(tǒng)。在零件出爐的時(shí)候，這一系統(tǒng)能夠?qū)⒁后w或者霧狀的淬火劑用一定的流速均勻噴涂于零件表面，并且何其保持一定的時(shí)間，從而有效保障在對零件進(jìn)行固溶處理之后能夠滿足規(guī)定要求的性能。

3 工藝控制

3.1 退火鈦合金

如表2所示為零件的退火要求表，如表3所示為最大截面厚度和保溫時(shí)間關(guān)系圖，如表2所示是對保溫時(shí)間的選擇，保溫時(shí)間的選取也可以根據(jù)最大截面厚度以及零件的條件厚度從表3中獲取。

如果退火作業(yè)在空氣爐中進(jìn)行，此時(shí)一旦對于零件表面的污染度有要求，就需要在惰性氣體或者真空爐中退火。在落實(shí)等溫退火作業(yè)的時(shí)候，一旦零件尺寸過大，就需要借助轉(zhuǎn)爐以及開門爐使其處于冷卻狀態(tài)，這樣一來也不會引發(fā)冷卻速度太慢而帶來的金相組織過大的問題。如果必須要進(jìn)行水淬，該項(xiàng)工作完成之后還需要在730～760℃的環(huán)境中保溫1～3h，再第2次完成退火。

3.2 除氫

在開展除氫工作的時(shí)候，應(yīng)該將爐內(nèi)的壓強(qiáng)控制在 7×10-2Pa范圍內(nèi)，通常情況下應(yīng)該保持加熱溫度在600～750℃之間，并且保溫至少1h。在截面厚度大于50mm時(shí)，應(yīng)該保溫超過3h。保溫作業(yè)完成之后，需要在氬氣中使零件快速冷卻，使其低于200℃之后在出爐，而在CWA或STA狀態(tài)之下的鈦合金不可使用真空除氫。

3.3 消除應(yīng)力

根據(jù)相關(guān)規(guī)定實(shí)施相應(yīng)的加熱以及保溫作業(yè)的時(shí)候，結(jié)束該項(xiàng)工作之后，需要使零件隨爐或者在空氣中進(jìn)行冷卻，而固溶熱處理過的鈦合金，應(yīng)該除去應(yīng)力退火，并且加熱溫度不能高于時(shí)效溫度，或者應(yīng)該在第2階段完成退火作業(yè)。

3.4 固溶熱處理

在開展固溶熱處理作業(yè)之前，需要做好所有零件上的邊角、棱邊以及轉(zhuǎn)角位置的倒圓以及修整作業(yè)，同時(shí)需要按照相關(guān)規(guī)定控制好固溶熱處理的加熱溫度，保溫時(shí)間可以參考條件厚度或者是零件的最大截面厚度進(jìn)行選擇。

3.5 淬火

鈦合金零件淬火冷卻不僅可以在惰性氣體或者空氣中進(jìn)行，對于所有能夠進(jìn)行熱處理的鈦合金零件，都能夠?qū)⑵渫耆值剿型瓿纱慊鹱鳂I(yè)，對于帶材、薄板以及厚板都可以使用水流淬火或者噴射的水霧進(jìn)行淬火。對于β穩(wěn)定系數(shù)相對較高的合金，可適當(dāng)延長淬火轉(zhuǎn)移的時(shí)間，但是，應(yīng)該使其能夠在淬火之后滿足性能指標(biāo)的需求。從打開爐門的時(shí)候開始對淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，將其完全侵入到淬火介質(zhì)中作為結(jié)束時(shí)間。

4 維護(hù)控制

4.1 熱前

熱前，對零件表面的油脂、鹵化物以及其他有害物質(zhì)應(yīng)該使用干凈的白布或者丙酮進(jìn)行處理。對于不能進(jìn)行酸洗或者堿洗的鈦合金，就不能使用甲醇或者鹵化熔劑進(jìn)行除油操作，并且，還應(yīng)該做好工裝夾具的清理作業(yè)。除此之外，還需要用到能夠控制表面污染的防護(hù)涂層，避免在落實(shí)熱處理工作的時(shí)候零件出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。對于含有禁用氣氛的爐腔，需要使用惰性氣體或者空氣進(jìn)行清理，并且要將所用氣體的量清洗到至少是爐腔容積的2倍。在裝爐之前，應(yīng)該做好空氣爐的清洗作業(yè)，用氣流進(jìn)行清洗，就應(yīng)該控制爐內(nèi)的最低溫度與零件進(jìn)行熱處理過程中既定的保溫溫度一致。

4.2 熱后

在完成熱處理工作之后，通過化學(xué)銑切、酸洗除去鈦合金零件表面的氧化皮。除去精加工表面的氧化層之后，需要將一定深度的基體金屬除去，對零件在惰性氣體或者真空中進(jìn)行加熱，一旦零件的表面伴隨干黃色的氧化膜產(chǎn)生，不能將其予以清除;如果其表面出現(xiàn)淡紫色、褐色、灰色或者是藍(lán)色的氧化膜，就需要開展清理工作。

4.3 裝掛

在對零件進(jìn)行掛裝、吊裝以及支撐的過程中，需要注意各種方式的使用不能影響到加熱介質(zhì)的自由循環(huán)，并且，應(yīng)該盡可能降低加熱以及冷卻時(shí)的變形量，大零件之間的間距應(yīng)該控制在20mm，所有用到的工裝夾具，都應(yīng)該確保其是由耐熱合金制造而成的，但是，避免其與鈦合金發(fā)生反應(yīng)，熱處理工作的實(shí)施也應(yīng)該做好零件表面的清理工作。

4.4 加熱和保溫

設(shè)定控溫儀表主要是為了對溫度進(jìn)行操控，一旦用公差對溫度進(jìn)行控制，就需要將爐溫控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。如果零件的操作條件、形狀、材料以及尺不會讓零件產(chǎn)生裂紋，就需要保障零件在滿足熱處理工藝要求的基礎(chǔ)之上的情況下入爐。在使用真空爐或者是惰性氣體爐的時(shí)候，需要進(jìn)行零件冷態(tài)裝爐，并且在爐溫度不斷升高的情況下使其達(dá)到處理溫度。

4.5 加熱

需要做好零件的保溫處理工作，以此來確定最大截面中心是否與規(guī)定的溫度一致，必要的條件下需要進(jìn)行擴(kuò)散以及轉(zhuǎn)變。對于惰性氣體爐和空氣爐，在零件入爐之后，如果工作區(qū)中的最低溫度記錄在規(guī)定溫度的最低值的時(shí)候，需要對保溫時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。在很具要求對真空爐使用生產(chǎn)載荷熱電偶的時(shí)候，最起碼應(yīng)該使用超過2根的生產(chǎn)載荷熱電偶來確定兩件的滯后時(shí)間、加熱溫度以及保溫時(shí)間。如果載荷熱電偶中溫度最低的那一根滿足最低的熱處理溫度值的時(shí)候，需要對加熱保溫時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

5 質(zhì)量控制

5.1 零件質(zhì)量控制

熱處理工作結(jié)束之后，需要對零件的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，在惰性氣體或者真空爐中開展零件的處理工作，此時(shí)，零件外觀顏色為亮銀色時(shí)最佳。將零件置于真空爐或者惰性氣體中進(jìn)行處理的的時(shí)候，不能在表面出現(xiàn)容易剝落的白色薄層或者是硫黃色。在零件中不得出現(xiàn)富氧α相層，一旦出現(xiàn)就需要及時(shí)予以清除。

5.2 記錄質(zhì)量控制

在整個(gè)熱處理的過程中，需要確保記錄工作的完整性。其中包含溫度記錄圖表、力學(xué)性能試驗(yàn)報(bào)告、處理卡片以及金相。在溫度記錄圖表上應(yīng)該將日期、編號、圖號、零件名稱、內(nèi)卡號以及總卡號等記錄完整，并且應(yīng)該有相應(yīng)的操作者以及儀表員的簽名以及檢驗(yàn)工作者的印章，對所有的報(bào)告和記錄都應(yīng)該進(jìn)行歸檔處理。

6 結(jié)語

綜上所示，通過對鈦合金零件熱處理的材料、設(shè)備以及加工環(huán)境進(jìn)行合理把控，不僅能夠起到優(yōu)化工藝條件的目的，并且還能夠節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉杰.激光沉積TC4/TC11梯度結(jié)構(gòu)工藝研究[D].沈陽航空航天大學(xué)，2018.

[2] 楊紅斌.不同熱處理?xiàng)l件下TC21鈦合金的力學(xué)行為及絕熱剪切敏感性研究[D].云南師范大學(xué)，2017.

[3] 李剛.熱等靜壓Ti-6Al-4V材料的表面加熱輔助超聲復(fù)合滾壓強(qiáng)化機(jī)理研究[D].華南理工大學(xué)，2017.