炬星GWDL高溫真空氣氛爐加熱/冷卻方式對(duì)鈦合金熱處理強(qiáng)化的影響和工藝：

炬星鈦合金熱處理強(qiáng)化工藝如圖3所示。鈦合金固溶處理溫度越高，經(jīng)時(shí)效后彌散強(qiáng)化效果越明顯，但是如果溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度（即相變點(diǎn)）淬火，因α相消失，β相晶界移動(dòng)加快，會(huì)引起晶粒過分粗大而導(dǎo)致脆性。實(shí)際證明，固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點(diǎn)30 ℃～110 ℃合理選擇，對(duì)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(wěn)β相，經(jīng)時(shí)效后強(qiáng)化效果更明顯。此外，保溫時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)鈦合金組織影響不敏感。

圖3鈦合金熱處理工藝示意圖

1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時(shí)效

2.2  真空加熱環(huán)境對(duì)鈦合金熱處理的影響

Ti是一種化學(xué)活性很高的金屬，在高溫下Ti很容易與C、N、O、H等發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，并對(duì)鈦合金材料本身性能帶來不利影響，例如鈦合金與O反應(yīng)使材料表面形成富氧層，使之性能下降；鈦合金加熱時(shí)容易吸H，引起氫脆。

真空狀態(tài)下加熱是最理想的“氣氛”，見表1。

表1 真空度和相對(duì)雜質(zhì)含量及露點(diǎn)

表1數(shù)據(jù)說明，真空狀態(tài)下加熱實(shí)質(zhì)上是在非常稀薄的氣氛下加熱，當(dāng)熱場(chǎng)真空達(dá)到10-3 Pa時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鈦合金的光亮處理。

本文所論述的真空水淬爐采用無(wú)碳元素的金屬屏熱場(chǎng)，輔以高真空加熱友好環(huán)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(fù)合隔熱屏，對(duì)鈦合金而言是一個(gè)清潔的加熱場(chǎng)；真空系統(tǒng)配置了三級(jí)泵組，即：機(jī)械泵+羅茨泵+擴(kuò)散泵，可以得到相當(dāng)雜質(zhì)含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環(huán)境，為鈦合金光亮、無(wú)氧化熱處理強(qiáng)化提供安全保障。

2.3  熱場(chǎng)爐溫均勻性對(duì)鈦合金熱處理的影響

鈦合金導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)只有鐵的1/5，如果熱場(chǎng)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(zhuǎn)變點(diǎn)形成魏氏組織。

高溫立式真空水淬爐選用950℃進(jìn)行爐溫均勻性測(cè)試，9點(diǎn)測(cè)溫，設(shè)備熱場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見圖4。炬星GWDL高溫立式真空水淬爐熱場(chǎng)有效區(qū)內(nèi)爐溫均勻性達(dá)到了≤±3 ℃。

圖4 高溫立式真空水淬爐爐溫均勻性測(cè)試示意圖

2.4  冷卻介質(zhì)對(duì)鈦合金固溶過程的影響

真空熱處理技術(shù)是根據(jù)組織性能要求和構(gòu)件材料的相變規(guī)律，選擇適合的冷卻介質(zhì)，使得真空加熱的材料和構(gòu)件在真空環(huán)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(zhì)包括：真空淬火油、非含氧氣體以及水，選擇不同的冷卻介質(zhì)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(zhì)為真空淬火油，該技術(shù)可以替代鹽浴、氣氛保護(hù)熱處理，在獲得理想的心部組織和力學(xué)性能的同時(shí)，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(shù)在我國(guó)熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過長(zhǎng)期的設(shè)備、工藝、淬火油品質(zhì)的改進(jìn)，真空油淬技術(shù)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(dāng)，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(yīng)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(zhì)，其特點(diǎn)是在一定范圍內(nèi)，隨著爐內(nèi)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、He和Ar，它們的導(dǎo)熱能力有很大差別，H2的冷卻能力最強(qiáng)，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(xiǎn)，同時(shí)鈦合金高溫時(shí)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(zhì)；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He和Ar價(jià)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(zhì)；N2廉價(jià)、安全，但是冷卻能力較差，且高溫下與Ti發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，降低鈦合金材料性能。該技術(shù)也不適用于鈦合金固溶強(qiáng)化處理。

真空水淬技術(shù)用水作為淬火介質(zhì)，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(wú)氧化加熱之后，迅速轉(zhuǎn)移至淬火水槽，得到所需的固溶組織。目前國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎn)成本，改善性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

中國(guó)某公司使用型號(hào)炬星GWDL高溫立式真空水淬爐對(duì)鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質(zhì)的冷卻實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 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(zhì)對(duì)鈦合金固溶處理的組織結(jié)構(gòu)影響較大，只有淬火介質(zhì)選擇水，快速冷卻才會(huì)得到理想的馬氏體相變，淬火冷卻速度決定固溶質(zhì)量，對(duì)鈦合金彌散強(qiáng)化起至關(guān)重要的作用。