炬星GWDL高溫真空氣氛爐加熱/冷卻方式對(duì)鈦合金熱處理強(qiáng)化的影響和工藝:
炬星鈦合金熱處理強(qiáng)化工藝如圖3所示。鈦合金固溶處理溫度越高,經(jīng)時(shí)效后彌散強(qiáng)化效果越明顯,但是如果溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度(即相變點(diǎn))淬火,因α相消失,β相晶界移動(dòng)加快,會(huì)引起晶粒過(guò)分粗大而導(dǎo)致脆性。實(shí)際證明,固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點(diǎn)30 ℃~110 ℃合理選擇,對(duì)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(shí)效后強(qiáng)化效果更明顯。此外,保溫時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)鈦合金組織影響不敏感。
圖3鈦合金熱處理工藝示意圖
1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時(shí)效
2.2 真空加熱環(huán)境對(duì)鈦合金熱處理的影響
Ti是一種化學(xué)活性很高的金屬,在高溫下Ti很容易與C、N、O、H等發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),并對(duì)鈦合金材料本身性能帶來(lái)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(shí)容易吸H,引起氫脆。
真空狀態(tài)下加熱是最理想的“氣氛”,見(jiàn)表1。
表1 真空度和相對(duì)雜質(zhì)含量及露點(diǎn)
表1數(shù)據(jù)說(shuō)明,真空狀態(tài)下加熱實(shí)質(zhì)上是在非常稀薄的氣氛下加熱,當(dāng)熱場(chǎng)真空達(dá)到10-3 Pa時(shí),可以實(shí)現(xiàn)鈦合金的光亮處理。
本文所論述的真空水淬爐采用無(wú)碳元素的金屬屏熱場(chǎng),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(fù)合隔熱屏,對(duì)鈦合金而言是一個(gè)清潔的加熱場(chǎng);真空系統(tǒng)配置了三級(jí)泵組,即:機(jī)械泵+羅茨泵+擴(kuò)散泵,可以得到相當(dāng)雜質(zhì)含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環(huán)境,為鈦合金光亮、無(wú)氧化熱處理強(qiáng)化提供安全保障。
2.3 熱場(chǎng)爐溫均勻性對(duì)鈦合金熱處理的影響
鈦合金導(dǎo)熱性差,導(dǎo)熱系數(shù)只有鐵的1/5,如果熱場(chǎng)爐溫均勻性不夠,很容易造成零件局部溫度過(guò)高,致使局部過(guò)熱,超過(guò)β轉(zhuǎn)變點(diǎn)形成魏氏組織。
高溫立式真空水淬爐選用950℃進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)試,9點(diǎn)測(cè)溫,設(shè)備熱場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。炬星GWDL高溫立式真空水淬爐熱場(chǎng)有效區(qū)內(nèi)爐溫均勻性達(dá)到了≤±3 ℃。
圖4 高溫立式真空水淬爐爐溫均勻性測(cè)試示意圖
2.4 冷卻介質(zhì)對(duì)鈦合金固溶過(guò)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(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。目前,真空油淬技術(shù)在我國(guó)熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛,通過(guò)長(zhǎng)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(guò)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。
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:N2、H2、He和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(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(guò)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。
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(wú)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(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)某公司使用型號(hào)炬星GWDL高溫立式真空水淬爐對(duì)鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質(zhì)的冷卻實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。
圖6 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(duì)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(huì)得到理想的馬氏體相變,淬火冷卻速度決定固溶質(zhì)量,對(duì)鈦合金彌散強(qiáng)化起至關(guān)重要的作用。