炬星GWDL高溫真空氣氛爐加熱/冷卻方式對鈦合金熱處理強化的影響和工藝:

炬星鈦合金熱處理強化工藝如圖3所示,。鈦合金固溶處理溫度越高,,經(jīng)時效后彌散強化效果越明顯,,但是如果溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度(即相變點)淬火,,因α相消失,β相晶界移動加快,,會引起晶粒過分粗大而導致脆性,。實際證明,固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點30 ℃110 ℃合理選擇,,對于合金元素較低的α+β型鈦合金選用較高溫度淬火,,以便得到更多的馬氏體相。合金元素較高的α+β型鈦合金選用較低溫度淬火,,以便得到較多的亞穩(wěn)β相,,經(jīng)時效后強化效果更明顯。此外,,保溫時間延長對鈦合金組織影響不敏感,。



3鈦合金熱處理工藝示意圖

1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時效



2.2  真空加熱環(huán)境對鈦合金熱處理的影響

Ti是一種化學活性很高的金屬,在高溫下Ti很容易與C,、N,、OH等發(fā)生強烈反應(yīng),,并對鈦合金材料本身性能帶來不利影響,,例如鈦合金與O反應(yīng)使材料表面形成富氧層,使之性能下降,;鈦合金加熱時容易吸H,,引起氫脆。

真空狀態(tài)下加熱是最理想的氣氛,,見表1

真空度和相對雜質(zhì)含量及露點

1數(shù)據(jù)說明,真空狀態(tài)下加熱實質(zhì)上是在非常稀薄的氣氛下加熱,,當熱場真空達到10-3 Pa時,,可以實現(xiàn)鈦合金的光亮處理。

本文所論述的真空水淬爐采用無碳元素的金屬屏熱場,,輔以高真空加熱友好環(huán)境,,爐膽的加熱元件為鉬鑭合金帶,隔熱屏是由鉬屏+不銹鋼屏組成復合隔熱屏,,對鈦合金而言是一個清潔的加熱場,;真空系統(tǒng)配置了三級泵組,即:機械泵+羅茨泵+擴散泵,,可以得到相當雜質(zhì)含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環(huán)境,,為鈦合金光亮、無氧化熱處理強化提供安全保障,。

2.3  熱場爐溫均勻性對鈦合金熱處理的影響

鈦合金導熱性差,,導熱系數(shù)只有鐵的1/5,如果熱場爐溫均勻性不夠,,很容易造成零件局部溫度過高,,致使局部過熱,超過β轉(zhuǎn)變點形成魏氏組織,。

高溫立式真空水淬爐選用950℃進行爐溫均勻性測試,,9點測溫,設(shè)備熱場測試結(jié)果見圖4,。炬星GWDL高溫立式真空水淬爐熱場有效區(qū)內(nèi)爐溫均勻性達到了≤±3 ℃,。



高溫立式真空水淬爐爐溫均勻性測試示意圖

2.4  冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶過程的影響

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、非含氧氣體以及水,,選擇不同的冷卻介質(zhì)具有不同的冷卻速率,,如圖5所示。



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,、氣氛保護熱處理,在獲得理想的心部組織和力學性能的同時,,保證表面的光潔,,特別適用于中、高合金鋼的淬火,。目前,,真空油淬技術(shù)在我國熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛,,通過長期的設(shè)備、工藝,、淬火油品質(zhì)的改進,,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,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。

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:N2,、H2HeAr,,它們的導熱能力有很大差別,,H2的冷卻能力最強,He次之,,N2第三,,Ar最次。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,同時鈦合金高溫時容易吸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HeAr價格太高,,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,、安全,,但是冷卻能力較差,,且高溫下與Ti發(fā)生強烈反應(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化處理,。

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,。目前國際上發(fā)達國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。

中國某公司使用型號炬星GWDL高溫立式真空水淬爐對鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質(zhì)的冷卻實驗,,結(jié)果如圖6所示,。

鈦合金固溶處理金相照片(a) 水冷; (b) 油冷; (c)空冷

綜上所述,選擇不同的冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶處理的組織結(jié)構(gòu)影響較大,,只有淬火介質(zhì)選擇水,,快速冷卻才會得到理想的馬氏體相變,淬火冷卻速度決定固溶質(zhì)量,,對鈦合金彌散強化起至關(guān)重要的作用,。