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(yè)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(wěn)定,常溫強度不高。
近α鈦合金,該合金含有少量的β穩(wěn)定元素(2%),組織中含有7%-15%的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(wěn)定β型鈦合金,材料含有臨界濃度的β穩(wěn)定元素。該類合金經(jīng)退火后具有良好的加工性,可以熱處理強化,經(jīng)淬火+時效處理后可以達到很高的強度,并且亞穩(wěn)定β型鈦合金在室溫強度、斷裂韌性和淬透性優(yōu)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)和TB8(Ti-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(yōu)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(wěn)定β型鈦合金,β穩(wěn)定元素的含量超過一定數(shù)值后β轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。炬星熱處理強化的基礎是鈦合金加熱及冷卻產(chǎn)生相變,鈦合金自高溫快速冷卻時,發(fā)生馬氏體相變,β相可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R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(wěn)定β相等溫轉(zhuǎn)變過程,如圖2所示。
從圖2中可以看出,冷卻時β相發(fā)生轉(zhuǎn)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相→α'(hcp,馬氏體);當冷卻速度較慢時(油中冷卻),部分β相→ω相(三角結(jié)構(gòu));當冷卻速度更低時(加壓充氣冷卻),β相→α'+ω;當冷卻速度非常低時(空氣冷卻),β相→α+β;在520 ℃~720 ℃范圍內(nèi),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(fā)生共析分解β相→α+TiCr2(化合物),即α相在原始的β相界形核并長大。
因此,實現(xiàn)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(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,可以發(fā)現(xiàn)鈦合金熱處理強化特點主要表現(xiàn)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;
(3)α+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(nèi)加熱,并縱向進入淬火介質(zhì)內(nèi),基于工件減少變形研發(fā)的立式真空淬火爐為鈦合金熱處理過程適當?shù)販p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(wěn)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。