鈦合金材料的熱處理工藝及控制研究

劉全軍，郭初陽，齊江江

(1.中航工業天水飛機工業有限責任公司，甘肅 天水 741025；2.駐西飛公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

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鈦合金材料的熱處理工藝及控制研究

劉全軍1，郭初陽2，齊江江2

(1.中航工業天水飛機工業有限責任公司，甘肅 天水 741025；2.駐西飛公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

鈦合金材料具有比強度高、變形系數小、熱強性、低溫韌性、抗腐蝕性和焊接性能好等優點。鈦合金材料的熱處理與其他金屬材料的熱處理相似，都屬于特殊過程，但由于鈦合金材料在熱處理過程中容易被氧氣、氫離子污染，所以在工業生產實際操作中，對鈦及其合金制品的熱處理工藝要求比較苛刻，為了在熱處理后能夠獲得性能優越的鈦合金制品，從材料、設備、工藝、人員、檢測和維護等方面進行控制，通過不斷改進和總結，進一步完善了工藝方法，節約了制造成本，保證了產品質量，為后續鈦合金材料的進一步推廣和應用奠定了基礎。

鈦合金；熱處理；工藝；控制

近年來，鈦合金材料以其優越的物理化學性能在工業制造領域得到了大量的推廣和應用，特別是在航空制造業，鈦合金材料以其強度高、質量輕的優勢正逐步替代傳統航空工業材料，從發展趨勢來看，鈦及其合金制品在航空制造業中將得到進一步的發展和應用[1-2]。在大規模生產作業中，鈦及其合金制品在進行熱處理工藝時，其工藝質量往往受到原材料、設備、工藝方法和人員技能等多方面因素的影響，經常出現零件表面被氧氣污染，或零件酸洗后被氫離子腐蝕等問題。為進一步提高鈦及其合金制品的熱處理工藝質量，對鈦合金零件的熱處理工藝進行了完善和控制(見圖1)，從而提升其可操作性及生產效率，最終獲得合格產品。

圖1　鈦合金零件的熱處理工藝控制

1　材料控制

鈦合金材料必須進行入廠檢驗，以確保其滿足性能要求。檢查主要包括標識、合格證、試驗情況、規格、數量、毛坯件尺寸和力學性能等指標。鈦零件材料退火(空冷)組織一般可分為α、近α、α-β和β型等4類，熱處理后鈦零件的狀態及對應狀態符號見表1。

表1　鈦零件的狀態及對應狀態符號

爐內加熱介質氣氛可以是空氣、惰性氣體或真空。若零件表面不允許被污染，應在惰性氣體或真空氣氛中加熱。在熱處理過程中，禁止使用吸熱式或放熱式氣氛、氫氣氣氛以及氨裂解后形成的氣氛。冷卻介質一般為空氣、惰性氣體、水或油，禁止使用鹽浴。

2　設備控制

2.1加熱設備

使用空氣爐、惰性氣體爐和真空爐對鈦合金零件進行熱處理，并保證氧、氮、氫對鈦合金零件的污染程度最低。熱處理后的鈦合金零件應滿足工程圖樣要求，加熱設備配套的儀表裝置應具備溫度控制、記錄和超溫報警功能。

熱處理后可采用空氣爐加熱對鈦合金零件表面的污染進行清理時；若要求鈦合金零件熱處理后表面無氧化皮，或當零件表面的污染難以清理時，則應使用惰性氣體爐或真空爐進行加熱。使用惰性氣體爐處理時，爐內的惰性氣體應保證循環良好，并且能保護零件的所有表面。在整個加熱、保溫和冷卻階段，惰性氣體的露點應保持在-54 ℃或更低。爐內管道和裝料區應密封以降低零件表面的污染程度。使用真空爐處理時，應為冷壁型輻射加熱，并且專用于鈦合金零件的熱處理。真空爐的壓升率≤6.65×10-1Pa/h，其檢測周期為每周1次。

2.2冷卻設備

為保證連續淬火和零件的自由移動，淬火槽的容積應足夠大。在連續生產條件下，槽內的淬火介質溫度不能因為零件的淬入而超過規定的溫度或使用溫度上限。淬火槽應配有加熱、冷卻介質裝置以及使淬火介質循環的機械攪拌裝置，每臺淬火槽應配備分辨率≤5 ℃的溫度儀表和溫控記錄裝置。在薄板、厚板或帶狀材料進行固溶熱處理后，可采用噴霧或流體淬火冷卻系統。該系統應具備在零件出爐時，以一定的流速將霧狀或液體的淬火劑均勻噴涂在零件所有表面，并使之保持一段時間，以保證零件在固溶熱處理或再時效后能達到規定性能要求的能力。

3　工藝控制

3.1退火

鈦合金零件的退火要求見表2。保溫時間與最大截面厚度關系見表3。其保溫時間既可以參考表2選取，也可以根據零件的最大截面厚度或條件厚度從表3選取。

表2　常用鈦合金退火要求

注：(1)Tβ表示相應的β轉變溫度。

(2)爐冷到480 ℃以下出爐空冷。雙重退火要求第2階段在790 ℃保溫15min，出爐空冷。

(3)空冷或更快冷；隨后在595 ℃保溫8h，空冷。

(4)空冷后再于600 ℃保溫2h，空冷。

(5)空冷后再于Tβ-(70～50) ℃保溫1～2h，空冷；再于600 ℃保溫3～5h，空冷。

(6)當TC4合金的再結晶退火用于提高斷裂韌度時，通常在β轉變溫度以下15～30 ℃保溫1～4h，空冷或更慢冷，再于705～760 ℃保溫1～2h，空冷。

(7)空冷或更慢冷。當雙重退火時，在β轉變溫度以下15～30 ℃保溫1～2h，空冷或更快冷，再于705～760 ℃保溫1～2h，空冷。

(8)等溫退火：爐冷到550～650 ℃或轉移到爐溫為550～650 ℃的另一爐中，保溫2h，空冷。

(9)雙重退火：空冷后再于550～600 ℃保溫2～5h，空冷。

(10)空冷后再于530～580 ℃保溫2～12h，空冷。

(11)以2～4 ℃/min的速度冷至450 ℃以下，出爐空冷。

(12)當采用雙重退火時，退火制度為：820～850 ℃，保溫1～4h，爐冷至740～760 ℃，保溫1～4h，空冷至500～600 ℃,保溫2～6h，空冷。焊接件的雙重退火制度為：820～850 ℃，保溫1～3h，爐冷至740～760 ℃,保溫1～3h，真空氣冷或空冷至500～650 ℃，保溫2～6h，真空氣冷至300 ℃以下后空冷。

(13)空冷后再于790 ℃保溫2～5h，空冷。

(14)空冷后再于595 ℃保溫8h，空冷。

表3　保溫時間與最大截面厚度的關系

退火在空氣爐中進行，若對零件表面污染度有要求時，應在惰性氣體爐或真空爐中退火。等溫退火時，如果零件尺寸過大，應采用轉爐或開爐門冷卻，以免由于冷卻速度過慢使金相組織過大。雙重退火時，第1次加熱后空冷，零件應分散冷卻，必要時采用強制風冷，以免由于冷卻速度過慢而影響性能。

若工程圖樣或文件規定進行β退火或β固溶熱處理，則TC4合金或其他α-β型合金應在該批零件的β轉變溫度以上(30±15) ℃至少保溫30min，然后在空氣或惰性氣體中冷卻至環境溫度，不允許隨爐冷卻。若規定水淬，則水淬后還應在730～760 ℃保溫1～3h，進行第2次退火。

3.2除氫

除氫時爐內的絕對壓強應≤7×10-2Pa，加熱溫度一般為600～750 ℃，保溫時間≥1h。當截面厚度>50mm時，保溫時間應≥3h。保溫后，零件應在氬氣中快速冷卻到200 ℃以下出爐空冷，在STA或CWA狀態的鈦合金不能采用真空除氫。

3.3消除應力退火

按表4規定進行加熱和保溫，當保溫結束后，零件應在空氣或惰性氣體中冷卻或者隨爐冷卻。對于已固溶熱處理且時效強化或經雙重退火的鈦合金，消除應力退火加熱溫度不應超過時效溫度或第2階段退火溫度。

表4　消除應力退火制度

注：(1)消除應力退火可以在760～790 ℃與熱成形同時完成；(2)TC6焊后消除應力退火可以采用800～850 ℃。

3.4固溶熱處理

在固溶熱處理前，零件上所有棱邊、邊角及轉角處需要進行修整或倒圓，固溶熱處理的加熱溫度按表5規定進行，保溫時間可參考表5選取，也可根據零件的最大截面厚度或條件厚度按表3選取。

3.5淬火

鈦合金零件淬火時的冷卻方式按表5規定進行。除允許在空氣或惰性氣體中冷卻以外，所有可熱處理強化的鈦合金零件都應完全侵入水中淬火，薄板、厚板或帶材可采用噴射的水霧或水流淬火。淬火轉移時間不應超過表6規定。β穩定系數更高的合金，其淬火轉移時間允許適當延長，但應保證在淬火后能夠達到性能要求。淬火轉移時間從爐門打開時開始計起，直至零件完全侵入淬火介質中為止。

表5　常用鈦合金固溶熱處理(淬火)規定

注：當直徑或厚度≤25mm時，允許空冷。1)某些特殊鍛件可能需要較長的保溫時間，采用接在零件上的載荷熱電偶精確測定保溫時間時，可選取較短的保溫時間；2)當使用真空熱處理設備時，可在惰性氣體中冷卻。

表6　鈦合金淬火轉移時間

3.6時效

固溶處理后，鈦合金零件應按表7規定進行時效處理。時效后，零件在空氣或惰性氣體中冷卻或隨爐冷卻。

表7　常用鈦合金時效規定

注：(1)時效溫度及保溫時間與預期的強度級別有關；(2)雙重退火制度見表3，在565～595 ℃保溫8h的穩定化處理可視為時效處理。

3.7真空熱處理

當要求控制表面污染、除氫以及通過化學腐蝕方法去除氧擴散層可能造成溶液截留時，零件需進行真空熱處理，當真空爐用于生產時，需要以不超過1個月的時間間隔對其進行烘燒，當工裝夾具已超過半個月未用于生產，也應對其進行烘燒。烘燒的方法為：將爐子或工裝夾具加熱到比生產中使用的最高溫度還高近100 ℃，并在該溫度下保持直至真空壓強不再提高的狀況持續>15min。烘燒結束后，爐子應在惰性氣體的氣氛中冷卻到<150 ℃。

另外，鈦合金零件可通過包裹法進行保護，以防止污染。將鈦合金零件包裹在鈦箔或不銹鋼箔中，鈦箔或不銹鋼箔的邊緣應緊密搭接，鈦箔的邊緣應至少搭接25mm，不銹鋼箔的邊緣應至少搭接76mm，并且不銹鋼箔在搭接邊緣時，需要在其夾層之間放置1個鈦箔。真空爐處理后零件一般在真空中充入高純氬氣的惰性氣氛中進行冷卻，直到零件溫度<200 ℃。

3.8重復熱處理

如果因熱處理不當而導致鈦合金零件的力學性能或顯微組織不符合工程圖樣和其他文件要求時，在不降低性能指標的前提下，允許重復進行一次熱處理。

4　維護控制

4.1熱前準備

熱處理前用干凈的白布和丙酮清除零件表面的油脂、鹵化物和其他有害物。若鈦合金零件不進行堿洗或酸洗，則不允許使用鹵化熔劑或甲醇除油，所使用的工裝夾具也要進行相應清理，零件清洗后，戴干凈的白布手套進行搬運，防止再次污染。使用能滿足表面污染控制要求的保護涂層，防止熱處理時零件起皮或減輕零件的表皮脫落。用空氣或惰性氣體對含有禁用氣氛的爐腔進行清理，清洗所用氣體量至少為爐膛容積的2倍?？諝鉅t應在裝爐前清洗，用氣流清洗時，爐內最低溫度應為零件熱處理時的設定保溫溫度；不能用氣流清洗時，爐內溫度至少應比熱處理的設定保溫溫度高110 ℃，在此溫度下保溫4h，保證清洗之后爐溫穩定在工藝要求溫度之上。惰性氣體爐在零件冷態裝爐后清洗，清洗后確保爐內充滿惰性氣體。

4.2熱后清理

熱處理后，鈦合金零件表面的氧化皮通過酸洗、化學銑切、吹砂或機械清理等方式清除。精加工表面的氧化層去除后，還應清除一定深度的基體金屬，熱處理時為M態的零件，其基體去除量≥0.076mm，熱處理時為STA態的零件，其基體去除量≥0.152mm。在惰性氣體或真空氣氛中加熱的零件，若表面出現干草黃色氧化膜，可不清除；若表面存在褐色、淡紫色、藍色或灰色氧化膜，必須清除。

4.3裝掛

零件的裝掛、支承或吊掛方式不能阻礙加熱和冷卻介質自由循環，并盡量減小加熱和冷卻過程中產生的變形量，大型零件至少間隔20mm，所有與零件接觸的工裝夾具由耐熱合金或其他合適的材料制成，但不能與鈦合金發生反應，也不能在熱處理過程中污染零件表面。鈦合金零件在熱處理過程中，不能與石墨、陶瓷或其他多孔材料、活性材料接觸。選擇工裝材料還要考慮熱膨脹差異。

4.4加熱和保溫

控溫儀表設定為名義操作溫度，若溫度以公差規定，則爐溫控制在設定溫度；若溫度以范圍規定，則爐溫設定在要求溫度范圍的中間值。當零件的材料、形狀、尺寸或操作條件不會造成零件裂紋、嚴重變形或過度污染時，允許零件在爐溫不超過工藝要求和熱處理規定的最高加熱溫度時入爐。使用惰性氣體爐或真空爐時，零件冷態裝爐，并隨爐一同升溫至處理溫度，真空爐還可在爐溫≤200 ℃時裝爐。

4.5加熱保溫時間

根據鈦合金零件厚度、加熱條件或不同熱處理工藝選擇其加熱保溫時間。在實際操作中應考慮裝爐方法的影響，若熱處理時采用夾具，還要考慮夾具引發截面厚度變化的影響，而適當延長加熱時間。零件應保溫足夠時間以確保其最大截面中心達到規定的溫度并發生必要的轉變及擴散。對空氣爐和惰性氣體爐，零件入爐后，當工作區內最低溫度記錄達到規定溫度范圍的最低值時，開始計算加熱保溫時間。

真空爐按要求使用生產載荷熱電偶時，至少用2根生產載荷熱電偶確定零件加熱到溫時間、滯后時間和保溫開始時間。一根載荷熱電偶連到零件最厚截面處的外表面，若零件具有空心構形，載荷熱電偶應連到工件最厚截面處的內表面；另一根載荷熱電偶應連到其他零件的表面。當載荷熱電偶中溫度最低的一根達到規定的熱處理溫度范圍的最低值時，開始計算加熱保溫時間。對于不要求使用生產載荷熱電偶確定加熱到溫時間、滯后時間和保留開始時間的零件，應事先通過試驗模擬實際生產情況來確定，試驗用載荷熱電偶應和生產載荷熱電偶相同，通過試驗確定開始計算加熱保溫時間。

4.6表面污染(富氧α相層)控制

當工程圖樣或其他文件要求對鈦合金零件表面污染進行控制時，使用惰性氣體爐或真空爐進行處理，在隨爐至少帶2個金相試樣，試樣與零件同牌號、同狀態，規格為φ12mm×6mm，表面粗糙度≤Ra0.8μm，試樣用潔凈的不銹鋼或鈦絲綁扎放置在有代表性的位置，盡量靠近零件表面并與零件一同熱處理。熱處理后的試樣可采用金相法或硬度法進行表面污染(富氧α相層)的評判，若有異議，以硬度法為準。

金相法是將試樣經切取、鑲嵌和拋光后，用腐蝕液于室溫下腐蝕足夠時間，隨后在流動的水中漂洗并干燥，然后在≥200倍的放大鏡下進行觀察，若視場中無白色的針、片狀組織時，即表明無富氧α相層。

硬度法是將試樣經切取、鑲嵌和拋光后，使用100g載荷進行維氏顯微硬度測試，當試樣表面和芯部的顯微硬度差值與芯部顯微硬度值的比值≤25%時，即可認為無富氧α相層。

5　質量控制

5.1零件質量控制

熱處理后，目視檢查零件外觀質量。在真空爐或惰性氣體爐中處理的零件，其外觀顏色應為亮銀色。在真空爐或惰性氣體爐中處理的零件，允許其外觀顏色為干草黃色、褐色、紫色、藍色或灰色等，但應進行清理。在真空爐或惰性氣體爐中處理的零件，不允許其表面存在硫黃色和容易剝落的白色薄層。零件應無富氧α相層，否則應進行清除，顯微組織應符合有關材料規范要求的評級圖。當工程圖樣或其他文件要求進行力學性能檢查時，熱處理每爐應至少帶3個拉伸試樣；如果需要，還應帶上同等數量的沖擊式樣。試樣應從鍛坯的余料上或棒材、鍛坯的延長部分截取，或者是從檢查力學性能單獨提供的試驗材料上截取，試樣應與零件一起進行全部熱處理，所有力學性能試樣應與所代表的零件同牌號、同爐批號。

5.2記錄質量控制

生產的所有熱處理爐批，應保存完整的記錄。包括熱處理卡片、溫度記錄圖表、金相及力學性能試

驗報告(如果有的話)。溫度記錄圖表上應注明爐子編號、日期、零件名稱、圖號、批次、數量、零件編號、總卡號、內卡號、溫度標尺、儀表系統誤差和儀表走紙率等，并應有儀表員、操作者簽名和檢驗人員的印章。所有記錄和報告均應歸檔。

6　人員控制

鈦合金零件的熱處理屬于特殊過程，所有從事熱處理生產的操作人員、儀表員和檢驗員均應經過相關培訓，在持有操作、崗位合格證后方能上崗操作。

7　結語

通過對鈦合金零件熱處理的材料、設備、工藝、人員和加工環境等方面進行嚴格控制，完善并優化了工藝條件，有效提高了工藝質量，達到了提高效率、節約成本的目的。

[1] 郭初陽，郭喜軍，王永紅，等.鈦合金零件鍍鉻工藝及質量控制[J].新技術新工藝，2015(10)：93-96.

[2] 郭初陽，王曉平，胡愈剛. 鈦合金零件噴丸工藝及質量控制[J].新技術新工藝，2013(9)：86-88.

責任編輯鄭練

ResearchoftheProcessandControloftheTitaniumAlloyHeatTreatment

LIUQuanjun1,GUOChuyang2,QIJingjing2

(1.AVICTianshuiAircraftIndustryCorporationLtd.,Tianshui741025,China; 2.TheMilitaryRepresentativeOfficeofXi’anAircraftIndustryCompanyLtd.,Xi’an710089,China)

Titaniumalloyhaslotsofadvantage,suchashighspecificstrength,lowdeformingratio,thermalstrength,lowtemperaturetoughness,corrosionresistanceandagoodweldingperformance.Thetechnologyforheattreatmentprocessoftitaniumalloyissimilartotheothermetalmaterial,theyareallinsidetherangeofspecialprocess.However,thetitaniumalloyiseasytobecontaminatedbyoxygengasandhydrogenionduringheattreatmentprocess,sotheindustrialproductionhasmanyharshtermsoftitaniumalloy’sheattreatmentprocess.Togetsuperiorperformancetitaniumalloyaftertheheattreatmentprocess,formmaterial,equipment,process,person,detection,maintenanceandotheraspectstocontrol.Bythecontinuousimprovingandsummarizing,improvethemethodoftitaniumalloy’sheattreatmentprocess,savetheprimecost,ensurethegoodproductquality,andlayafoundationfortitaniumalloytohaveafurtherpromotionandapplication.

titaniumalloy,heattreatment,process,control

2015-12-29

TG156A

劉全軍(1979-)，男，工程師，主要從事國內多型飛機修理及制造等方面的研究。