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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。對于純α型鈦合金，熱處理的方法基本上不奏效，即鈦合金的熱處理主要用于α+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)?/span>ω相；當(dāng)冷卻速度更低時(shí)（加壓氣淬），β相轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α’與ω相；當(dāng)冷卻速度非常低時(shí)（爐冷），β相轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α與β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(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?/span>N2）、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。

        目前國際上發(fā)達(dá)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。

(1)真空淬火的質(zhì)量效果

(A)真空狀態(tài)下加熱氧化物的還原作用。

(B)元素發(fā)揮的影響。

(C)鋼種的影響。

(D)冷卻方式的影響。

(E)回火的影響。

(F)真空泵、油增壓泵、油擴(kuò)散泵返油的影響。

(G)真空淬火油脫氣。

(H)爐子泄漏率。

(I)加熱速度影響。

(J)充氣管道的漏氣問題。

(2)真空淬火工件的變形，減小真空淬火變形的具體措施

(1）加熱技術(shù)方面

(a)多次預(yù)熱。

(b)在800℃以下進(jìn)行對流加熱。

(C)提高爐溫均勻性，合理布置。

(d）合理控制爐內(nèi)壓力，回填N₂以13.3Pa為宜。

(2)冷卻技術(shù)減少工件變形

(a)盡量采用高壓氣淬代油淬。

(b)為減少組織壓力，先油淬在Ms點(diǎn)以上出爐氣冷。

(c)氣體分級(jí)淬火。

(d)控制油攪拌開動(dòng)時(shí)間。

(e)減少工件在熱態(tài)下振動(dòng)。

(f)料盤、工具的變形，會(huì)影響工件變形。

(g)厚薄不均勻，銳角處包扎氧化鋁棉。

(h)合理裝爐。

(i)高壓氣淬時(shí)，冷卻氣體的噴射方式。

(3)真空淬火后鋼的機(jī)械性能

在真空淬火加熱時(shí)，工件有脫氣、不氧化、不脫碳，因而有較高的機(jī)械性能。

SKD11鋼真空淬火、回火與鹽浴淬火、回火后機(jī)械性能比較

注：真空淬火：800℃預(yù)熱25分，淬火保溫20分。

鹽浴淬火：淬火溫度為950~1020℃時(shí)，400℃預(yù)熱一小時(shí)，淬火保溫9分鐘；

淬火溫度為1080~1120℃時(shí)，850℃預(yù)熱6分，淬火保溫3分鐘，600~650℃分級(jí)2~3分鐘后空冷。

真空淬火產(chǎn)品的使用壽命

真空淬火模具壽命一般提高40~400%。