鈦合金材料的熱處理工藝及控制研究

姜雨昂

摘 要：由于鈦合金材料具有化學性能良好的特點，因此在工業(yè)制造領域中得到了廣泛的應用，特別是在航空制造愜意中，鈦合金材料更是發(fā)揮出了其強度高以及質量輕的優(yōu)點，并且得到了行業(yè)的認可。鑒于此，本文就鈦合金材料的熱處理工藝及控制展開探討，以期為相關工作起到參考作用。

關鍵詞：鈦合金;熱處理;工藝;控制

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0072-02

1 材料控制

鈦合金材料在入廠之前，需要對鈦合金材料的合格證、規(guī)格、標識、毛坯尺寸、試驗情況以及數(shù)量等各項性能指標進行檢查，使其具備相應性能指標的要求。鈦零件材料的退火組織通?？杀环譃棣?、近α、β以及α-β等4種類型，如表1所示為熱處理之后的鈦零件狀態(tài)以及相應符號。

惰性氣體、空氣或者真空都能夠作為爐內的加熱介質。如果要求零件表面不受污染，就需要將其置于惰性氣體或者真空環(huán)境中進行加熱處理，該過程不僅會用到吸熱或者放熱式氣氛，同時還會出現(xiàn)氨氣裂解之后的氫氣氣氛。通常情況下，冷卻介質有惰性氣體、空氣以及油或水，不能使用鹽浴。

2 設備控制

2.1 加熱設備

應該用惰性氣體、空氣爐以及真空爐做好鈦合金零件的加熱處理工作，以此來最大限度降低氮氣、氧氣以及氫氣對鈦合金零件的污染程度。同時，應該確保進行過熱處理之后的鈦合金零件滿足工程圖樣標準。加熱設備的配套儀表裝置還應該具備控溫、記錄以及超溫報警等方面的作用。熱處理工作進行完之后，需要對鈦合金零件表面運用空氣爐加熱來除去污染狀況。

2.2 冷卻設備

在淬火槽中配備冷卻、加熱介質，在每臺淬火槽中還應該配備分辨率小于5℃的控溫裝置以及溫度儀表。在使用厚板、薄板以及帶狀材料進行固溶預熱處于之后，需要適應流體淬火或者是噴霧冷卻系統(tǒng)。在零件出爐的時候，這一系統(tǒng)能夠將液體或者霧狀的淬火劑用一定的流速均勻噴涂于零件表面，并且何其保持一定的時間，從而有效保障在對零件進行固溶處理之后能夠滿足規(guī)定要求的性能。

3 工藝控制

3.1 退火鈦合金

如表2所示為零件的退火要求表，如表3所示為最大截面厚度和保溫時間關系圖，如表2所示是對保溫時間的選擇，保溫時間的選取也可以根據(jù)最大截面厚度以及零件的條件厚度從表3中獲取。

如果退火作業(yè)在空氣爐中進行，此時一旦對于零件表面的污染度有要求，就需要在惰性氣體或者真空爐中退火。在落實等溫退火作業(yè)的時候，一旦零件尺寸過大，就需要借助轉爐以及開門爐使其處于冷卻狀態(tài)，這樣一來也不會引發(fā)冷卻速度太慢而帶來的金相組織過大的問題。如果必須要進行水淬，該項工作完成之后還需要在730～760℃的環(huán)境中保溫1～3h，再第2次完成退火。

3.2 除氫

在開展除氫工作的時候，應該將爐內的壓強控制在 7×10-2Pa范圍內，通常情況下應該保持加熱溫度在600～750℃之間，并且保溫至少1h。在截面厚度大于50mm時，應該保溫超過3h。保溫作業(yè)完成之后，需要在氬氣中使零件快速冷卻，使其低于200℃之后在出爐，而在CWA或STA狀態(tài)之下的鈦合金不可使用真空除氫。

3.3 消除應力

根據(jù)相關規(guī)定實施相應的加熱以及保溫作業(yè)的時候，結束該項工作之后，需要使零件隨爐或者在空氣中進行冷卻，而固溶熱處理過的鈦合金，應該除去應力退火，并且加熱溫度不能高于時效溫度，或者應該在第2階段完成退火作業(yè)。

3.4 固溶熱處理

在開展固溶熱處理作業(yè)之前，需要做好所有零件上的邊角、棱邊以及轉角位置的倒圓以及修整作業(yè)，同時需要按照相關規(guī)定控制好固溶熱處理的加熱溫度，保溫時間可以參考條件厚度或者是零件的最大截面厚度進行選擇。

3.5 淬火

鈦合金零件淬火冷卻不僅可以在惰性氣體或者空氣中進行，對于所有能夠進行熱處理的鈦合金零件，都能夠將其完全侵到水中完成淬火作業(yè)，對于帶材、薄板以及厚板都可以使用水流淬火或者噴射的水霧進行淬火。對于β穩(wěn)定系數(shù)相對較高的合金，可適當延長淬火轉移的時間，但是，應該使其能夠在淬火之后滿足性能指標的需求。從打開爐門的時候開始對淬火轉移時間進行計時，將其完全侵入到淬火介質中作為結束時間。

4 維護控制

4.1 熱前

熱前，對零件表面的油脂、鹵化物以及其他有害物質應該使用干凈的白布或者丙酮進行處理。對于不能進行酸洗或者堿洗的鈦合金，就不能使用甲醇或者鹵化熔劑進行除油操作，并且，還應該做好工裝夾具的清理作業(yè)。除此之外，還需要用到能夠控制表面污染的防護涂層，避免在落實熱處理工作的時候零件出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。對于含有禁用氣氛的爐腔，需要使用惰性氣體或者空氣進行清理，并且要將所用氣體的量清洗到至少是爐腔容積的2倍。在裝爐之前，應該做好空氣爐的清洗作業(yè)，用氣流進行清洗，就應該控制爐內的最低溫度與零件進行熱處理過程中既定的保溫溫度一致。

4.2 熱后

在完成熱處理工作之后，通過化學銑切、酸洗除去鈦合金零件表面的氧化皮。除去精加工表面的氧化層之后，需要將一定深度的基體金屬除去，對零件在惰性氣體或者真空中進行加熱，一旦零件的表面伴隨干黃色的氧化膜產(chǎn)生，不能將其予以清除;如果其表面出現(xiàn)淡紫色、褐色、灰色或者是藍色的氧化膜，就需要開展清理工作。

4.3 裝掛

在對零件進行掛裝、吊裝以及支撐的過程中，需要注意各種方式的使用不能影響到加熱介質的自由循環(huán)，并且，應該盡可能降低加熱以及冷卻時的變形量，大零件之間的間距應該控制在20mm，所有用到的工裝夾具，都應該確保其是由耐熱合金制造而成的，但是，避免其與鈦合金發(fā)生反應，熱處理工作的實施也應該做好零件表面的清理工作。

4.4 加熱和保溫

設定控溫儀表主要是為了對溫度進行操控，一旦用公差對溫度進行控制，就需要將爐溫控制在設定的范圍內。如果零件的操作條件、形狀、材料以及尺不會讓零件產(chǎn)生裂紋，就需要保障零件在滿足熱處理工藝要求的基礎之上的情況下入爐。在使用真空爐或者是惰性氣體爐的時候，需要進行零件冷態(tài)裝爐，并且在爐溫度不斷升高的情況下使其達到處理溫度。

4.5 加熱

需要做好零件的保溫處理工作，以此來確定最大截面中心是否與規(guī)定的溫度一致，必要的條件下需要進行擴散以及轉變。對于惰性氣體爐和空氣爐，在零件入爐之后，如果工作區(qū)中的最低溫度記錄在規(guī)定溫度的最低值的時候，需要對保溫時間進行計算。在很具要求對真空爐使用生產(chǎn)載荷熱電偶的時候，最起碼應該使用超過2根的生產(chǎn)載荷熱電偶來確定兩件的滯后時間、加熱溫度以及保溫時間。如果載荷熱電偶中溫度最低的那一根滿足最低的熱處理溫度值的時候，需要對加熱保溫時間進行計算。

5 質量控制

5.1 零件質量控制

熱處理工作結束之后，需要對零件的外觀質量進行檢查，在惰性氣體或者真空爐中開展零件的處理工作，此時，零件外觀顏色為亮銀色時最佳。將零件置于真空爐或者惰性氣體中進行處理的的時候，不能在表面出現(xiàn)容易剝落的白色薄層或者是硫黃色。在零件中不得出現(xiàn)富氧α相層，一旦出現(xiàn)就需要及時予以清除。

5.2 記錄質量控制

在整個熱處理的過程中，需要確保記錄工作的完整性。其中包含溫度記錄圖表、力學性能試驗報告、處理卡片以及金相。在溫度記錄圖表上應該將日期、編號、圖號、零件名稱、內卡號以及總卡號等記錄完整，并且應該有相應的操作者以及儀表員的簽名以及檢驗工作者的印章，對所有的報告和記錄都應該進行歸檔處理。

6 結語

綜上所示，通過對鈦合金零件熱處理的材料、設備以及加工環(huán)境進行合理把控，不僅能夠起到優(yōu)化工藝條件的目的，并且還能夠節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻

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