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GWDL高溫真空處理爐對鈦合金的熱處理強化特點

作者: 發布時間:2020-05-04 瀏覽次數:676

GWDL高溫真空處理爐對鈦合金的熱處理強化特點如下:

1.1  鈦合金的分類

鈦合金可分為三類,鈦合金分類的三維相圖是較為明顯的示意圖,見圖1所示。

α鈦合金,包括工業純鈦,TA5(Ti-4Al-0.005B)TA7(Ti-5Al-2.5Sn)等,該類合金不能通過熱處理強化,只能退火,組織穩定,常溫強度不高。

α鈦合金,該合金含有少量的β穩定元素(2%),組織中含有7%-15%β相,如材料牌號:TC1(Ti-2Al-1.5Mn) TC2(Ti-4Al-1.5Mn),該類材料對熱處理制度不敏感。

α+β鈦合金,又稱馬氏體α+β型鈦合金,含有15%-40% β相,典型代表材料TC4(Ti-6Al-4V)、熱強鈦合金TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)、制造緊固件的典型代表材料TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)等,它們可以通過炬星熱處理強化,即:固溶處理+時效(彌散強化)。

亞穩定β型鈦合金,材料含有臨界濃度的β穩定元素。該類合金經退火后具有良好的加工性,可以熱處理強化,經淬火+時效處理后可以達到很高的強度,并且亞穩定β型鈦合金在室溫強度、斷裂韌性和淬透性優于α+β鈦合金,典型代表材料牌號TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)TB8Ti-15Mo -3Al-2.7Nb-0.2Si),TB8(β21s)鈦合金為高強度鈦合金,高溫性能良好,具有優良的冷軋和冷成型性,是公認的用于飛機上高強度彈簧材料。

穩定β型鈦合金,β穩定元素的含量超過一定數值后β轉變溫度就會降到室溫以下,金相組織為單相β組織,代表牌號美國Alloy C(Ti-35V-15Cr)

1.2  鈦合金冷卻過程的相變

鈦合金被裝入真空爐加熱后,精確控制鈦合金零件冷卻的相變過程,從而得到不同的組織結構。炬星熱處理強化的基礎是鈦合金加熱及冷卻產生相變,鈦合金自高溫快速冷卻時,發生馬氏體相變,β相可以轉變為馬氏體(六方馬氏體α'或斜方馬氏體α'')、ω相或過冷β相(即β')。以Ti-5Cr-3Al鈦合金為例[5],闡明亞穩定β相等溫轉變過程,如圖2所示。

從圖2中可以看出,冷卻時β相發生轉變,如果工藝過程要得到馬氏體相變,只有加大冷卻速度:當合金從固溶溫度快速冷卻(水中淬火),β→α'(hcp,馬氏體);當冷卻速度較慢時(油中冷卻),部分β→ω相(三角結構);當冷卻速度更低時(加壓充氣冷卻),β→α;當冷卻速度非常低時(空氣冷卻),β→α+β;在520 ℃720 ℃范圍內,當冷卻速度非常緩慢(或在共析溫度以下長時間等溫加熱),發生共析分解β→α+TiCr2(化合物),即α相在原始的β相界形核并長大。

因此,實現鈦合金材料的熱處理強化,淬火是鈦合金熱處理強化的必要前提,淬火過程的冷卻速度起決定因素。

1.3  鈦合金熱處理強化特點

鈦合金在加熱和冷卻過程中會發生相變,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構。通過不同介質的鈦合金冷卻試驗,可以發現鈦合金熱處理強化特點主要表現為:

1)淬火過程應盡量避免形成ω相,ω相會使材料變脆,當然,采用高溫時效可使ω相分解;

2)反復熱處理相變不能細化鈦合金晶粒,這點不同于鋼鐵材料;

3α+β型鈦合金熱處理淬火后淬透性不高,淬火熱應力大,很易引起長桿狀零件變形,因此長桿狀工件只能豎向裝入爐內加熱,并縱向進入淬火介質內,基于工件減少變形研發的立式真空淬火爐為鈦合金熱處理過程適當地減少淬火變形提供了條件;

4)馬氏體相變不能使鈦合金得到強化,只能通過淬火時形成的穩定相(包括馬氏體相)的時效分解,即彌散強化。熱處理強化對α鈦合金是無效的,熱處理強化主要用于α+β型鈦合金和β型鈦合金。

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