钛合金热处理强化

        1.钛合金的淬火处理

        淬火时效是钛合金热处理强化的主要方式，利用相变产生强化效果，故又称强化热处理。对于纯α型钛合金，热处理的方法基本上不奏效，即钛合金的热处理主要用于α+β型钛合金。冷却方式一般选用水淬，油淬、气淬使用较少，淬火的过程要迅速，以防止β相在转移过程中发生分解，降低时效强化效果。

        2.钛合金的相变过程

        热处理强化的基础是钛合金加热及冷却时产生的相变，主要以马氏体相变后，时效分解获得弥散强化为核心
[4]。以α+β钛合金钛（Ti）-5铬（Cr）-3铝（Al）为例，自高温冷却时，根据冷却速率不同将发生图1所示的转变[5]。

        由图1可知，当合金从固溶温度快速冷却（水淬）时，发生马氏体相变，过程中有亚稳定β（β’）形成，室温下得到六方α’相（hcp，马氏体）；当冷却速度较慢时（油淬），部分β相转变为ω相；当冷却速度更低时（加压气淬），β相转变为α’与ω相；当冷却速度非常低时（炉冷），β相转变为α与β相；在520℃～720℃范围内，当冷却速度非常缓慢时，发生共析分解β→α+TiCr2（化合物），即α相在原始β相界形核并长大。

        综上所述，欲实现钛合金材料的固溶强化，淬火是前提，淬火过程的冷却速度起决定作用。要得到马氏体相变，需加大冷却速度，只有立式真空水淬能够实现。

        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（如图2所示），可以发现钛合金热处理强化特点主要表现为：①热处理强化主要用于α+β钛合金、近β钛合金，其他钛合金基本无效；②与钢铁材料不同，反复热处理相变不能细化晶粒；③ω相使合金变脆，淬火过程应尽量避免形成ω相；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；⑤α+β钛合金热处理淬火后淬透性不高，淬火热应力大，容易引起长杆状零件变形，因此只能竖向装料，并纵向进入淬火介质内；⑥快速冷却比慢速冷却组织中αp相要小一些。

        二、钛合金真空热处理技术研究现状

        真空热处理技术是根据组织性能要求和构件材料的相变规律，选择适合的冷却介质，使得真空加热的材料和构件在真空环境下按照要求的冷却速度冷却至出炉温度。真空热处理常用冷却介质包括：真空淬火油、非含氧气体和水，选择不同的冷却介质具有不同的冷却速率[6]，如图3所示。

        1.真空油淬冷却技术

        真空油淬冷却利用的冷却介质为真空淬火油，该技术可以替代盐浴、气氛保护热处理，在获得理想的心部组织和力学性能的同时，保证表面的光洁，特别适用于中、高合金钢的淬火[7]。

        目前，真空油淬技术在我国热处理行业应用广泛，通过长期的设备、工艺、淬火油品质的改进，真空油淬技术较为成熟。但是，由于其冷却速率较慢（低于水淬），在钛合金热处理过程中如果控制不得当，容易形成脆性ω相；另一方面，钛合金工件高温加热入油后，在工件表面与油蒸汽接触反应瞬间形成增碳，不利于钛合金性能的提高，因此不太适用于钛合金的真空热处理。

        2.真空气淬冷却技术

        真空气淬冷却利用的非含氧型气体作为冷却介质，其特点是在一定范围内，随着炉内气体压力的提高，冷却速度可以随之提高。真空气淬常用的冷却气体是：氮气（N2）、氢气（H2）、氦气（He）和氩气（Ar），它们的导热能力有很大差别，H2的冷却能力最强，He次之，N2第3，Ar最次[8]。

        使用40bar H2超高压气淬，其冷却速度可以接近水淬速度，但H2使用较为危险，同时钛合金高温时容易吸H引起氢脆，因此不能作为钛合金真空热处理的冷却介质；使用20bar He超高压气淬，其冷却速率介于油和水之间，可以取代真空油淬，但He和Ar价格太高，淬火后还需考虑回收，热处理成本过高而不能作为钛合金真空热处理的主要冷却介质；N2廉价、安全，但是冷却能力较差，且高温下与Ti发生强烈反应，降低钛合金材料性能。该技术也不适用于钛合金固溶强化处理。

        3.真空水淬冷却技术

        真空水淬技术用水作为淬火介质，特别适用于钛合金工件的固溶处理。真空水淬的工件在真空条件下完成无氧化加热之后，迅速转移至淬火水槽，得到所需的固溶组织。

        目前国际上发达国家正在研究钛合金真空水淬的新工艺与新装备，试图降低钛合金真空热处理生产成本、改善性能，提高产品质量。

(1)真空淬火的质量效果

(A)真空状态下加热氧化物的还原作用。

(B)元素发挥的影响。

(C)钢种的影响。

(D)冷却方式的影响。

(E)回火的影响。

(F)真空泵、油增压泵、油扩散泵返油的影响。

(G)真空淬火油脱气。

(H)炉子泄漏率。

(I)加热速度影响。

(J)充气管道的漏气问题。

(2)真空淬火工件的变形，减小真空淬火变形的具体措施

(1）加热技术方面

(a)多次预热。

(b)在800℃以下进行对流加热。

(C)提高炉温均匀性，合理布置。

(d）合理控制炉内压力，回填N₂以13.3Pa为宜。

(2)冷却技术减少工件变形

(a)尽量采用高压气淬代油淬。

(b)为减少组织压力，先油淬在Ms点以上出炉气冷。

(c)气体分级淬火。

(d)控制油搅拌开动时间。

(e)减少工件在热态下振动。

(f)料盘、工具的变形，会影响工件变形。

(g)厚薄不均匀，锐角处包扎氧化铝棉。

(h)合理装炉。

(i)高压气淬时，冷却气体的喷射方式。

(3)真空淬火后钢的机械性能

在真空淬火加热时，工件有脱气、不氧化、不脱碳，因而有较高的机械性能。

SKD11钢真空淬火、回火与盐浴淬火、回火后机械性能比较

注：真空淬火：800℃预热25分，淬火保温20分。

盐浴淬火：淬火温度为950~1020℃时，400℃预热一小时，淬火保温9分钟；

淬火温度为1080~1120℃时，850℃预热6分，淬火保温3分钟，600~650℃分级2~3分钟后空冷。

真空淬火产品的使用寿命

真空淬火模具寿命一般提高40~400%。