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GWDL高温真空处理炉对钛合金的热处理强化特点

作者: 发布时间:2020-05-06 浏览次数:189

GWDL高温真空处理炉对钛合金的热处理强化特点如下:

1.1  钛合金的分类

钛合金可分为三类,钛合金分类的三维相图是较为明显的示意图,见图1所示。

α钛合金,包括工业纯钛,TA5(Ti-4Al-0.005B)TA7(Ti-5Al-2.5Sn)等,该类合金不能通过热处理强化,只能退火,组织稳定,常温强度不高。

α钛合金,该合金含有少量的β稳定元素(2%),组织中含有7%-15%β相,如材料牌号:TC1(Ti-2Al-1。5Mn) TC2(Ti-4Al-1.5Mn),该类材料对热处理制度不敏感。

α+β钛合金,又称马氏体α+β型钛合金,含有15%-40% β相,典型代表材料TC4(Ti-6Al-4V)、热强钛合金TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)、制造紧固件的典型代表材料TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)等,它们可以通过炬星热处理强化,即:固溶处理+时效(弥散强化)。

亚稳定β型钛合金,材料含有临界浓度的β稳定元素。该类合金经退火后具有良好的加工性,可以热处理强化,经淬火+时效处理后可以达到很高的强度,并且亚稳定β型钛合金在室温强度、断裂韧性和淬透性优于α+β钛合金,典型代表材料牌号TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)TB8Ti-15Mo -3Al-2.7Nb-0.2Si),TB8(β21s)钛合金为高强度钛合金,高温性能良好,具有优良的冷轧和冷成型性,是公认的用于飞机上高强度弹簧材料。

稳定β型钛合金,β稳定元素的含量超过一定数值后β转变温度就会降到室温以下,金相组织为单相β组织,代表牌号美国Alloy C(Ti-35V-15Cr)

1.2  钛合金冷却过程的相变

钛合金被装入真空炉加热后,精确控制钛合金零件冷却的相变过程,从而得到不同的组织结构。炬星热处理强化的基础是钛合金加热及冷却产生相变,钛合金自高温快速冷却时,发生马氏体相变,β相可以转变为马氏体(六方马氏体α'或斜方马氏体α'')、ω相或过冷β相(即β')。以Ti-5Cr-3Al钛合金为例[5],阐明亚稳定β相等温转变过程,如图2所示。

从图2中可以看出,冷却时β相发生转变,如果工艺过程要得到马氏体相变,只有加大冷却速度:当合金从固溶温度快速冷却(水中淬火),β→α'(hcp,马氏体);当冷却速度较慢时(油中冷却),部分β→ω相(三角结构);当冷却速度更低时(加压充气冷却),β→α;当冷却速度非常低时(空气冷却),β→α+β;在520 ℃720 ℃范围内,当冷却速度非常缓慢(或在共析温度以下长时间等温加热),发生共析分解β→α+TiCr2(化合物),即α相在原始的β相界形核并长大。

因此,实现钛合金材料的热处理强化,淬火是钛合金热处理强化的必要前提,淬火过程的冷却速度起决定因素。

1.3  钛合金热处理强化特点

钛合金在加热和冷却过程中会发生相变,对于不同合金体系可以通过控制其各自的相变过程,从而得到不同的组织结构。通过不同介质的钛合金冷却试验,可以发现钛合金热处理强化特点主要表现为:

1)淬火过程应尽量避免形成ω相,ω相会使材料变脆,当然,采用高温时效可使ω相分解;

2)反复热处理相变不能细化钛合金晶粒,这点不同于钢铁材料;

3α+β型钛合金热处理淬火后淬透性不高,淬火热应力大,很易引起长杆状零件变形,因此长杆状工件只能竖向装入炉内加热,并纵向进入淬火介质内,基于工件减少变形研发的立式真空淬火炉为钛合金热处理过程适当地减少淬火变形提供了条件;

4)马氏体相变不能使钛合金得到强化,只能通过淬火时形成的稳定相(包括马氏体相)的时效分解,即弥散强化。热处理强化对α钛合金是无效的,热处理强化主要用于α+β型钛合金和β型钛合金。

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