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      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

      作者: 發布時間:2020-05-04 瀏覽次數:3645

      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,經時效后彌散強化效果越明顯,但是如果溫度高于β轉變溫度(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β相,經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、O、H等發生強烈反應,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。

      真空狀態下加熱是最理想的氣氛,見表1。

      1 真空度和相對雜質含量及露點

      1數據說明,真空狀態下加熱實質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,可以得到相當雜質含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環境,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,設備熱場測試結果見圖4。炬星GWDL高溫立式真空水淬爐熱場有效區內爐溫均勻性達到了≤±3 ℃。

      4 高溫立式真空水淬爐爐溫均勻性測試示意圖

      2.4  冷卻介質對鈦合金固溶過程的影響

      真空熱處理技術是根據組織性能要求和構件材料的相變規律,選擇適合的冷卻介質,使得真空加熱的材料和構件在真空環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包括:真空淬火油、非含氧氣體以及水,選擇不同的冷卻介質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為真空淬火油,該技術可以替代鹽浴、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,真空油淬技術在我國熱處理行業應用廣泛,通過長期的設備、工藝、淬火油品質的改進,真空油淬技術較為成熟。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,其特點是在一定范圍內,隨著爐內氣體壓力的提高,冷卻速度可以隨之提高。真空氣淬常用的冷卻氣體是:N2、H2、HeAr,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;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;N2廉價、安全,但是冷卻能力較差,且高溫下與Ti發生強烈反應,降低鈦合金材料性能。該技術也不適用于鈦合金固溶強化處理。

      真空水淬技術用水作為淬火介質,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,迅速轉移至淬火水槽,得到所需的固溶組織。目前國際上發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成本,改善性能,提高產品質量。

      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做了不同介質的冷卻實驗,結果如圖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對鈦合金固溶處理的組織結構影響較大,只有淬火介質選擇水,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量,對鈦合金彌散強化起至關重要的作用。

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