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                    炬星GWDL高温真空气氛炉加热/冷却方式对钛合金热处理强化的影响和工艺

                    作者: 发布时间:2020-05-04 浏览次数:1106

                    炬星GWDL高温真空气氛炉加热/冷却方式对钛合金热处理强化的影响和工艺:

                    炬星钛合金热处理强化工艺如图3所示。钛合金固溶处理温度越高,经时效后弥散强化效果越明显,但是如果温度高于β转变温度(即相变点)淬火,因α相消失,β相晶界移动加快,会引起晶粒过分粗大而导致脆性。实际证明,固溶处理温度一般低于(α+β)/β相变点30 ℃110 ℃合理选择,对于合金元素较低的α+β型钛合金选用较高温度淬火,以便得到更多的马氏体相。合金元素较高的α+β型钛合金选用较低温度淬火,以便得到较多的亚稳β相,经时效后强化效果更明显。此外,保温时间延长对钛合金组织影响不敏感。

                    3钛合金热处理工艺示意图

                    1-加热; 2-保温; 3-水冷; 4-时效

                    2.2  真空加热环境对钛合金热处理的影响

                    Ti是一种化学活性很高的金属,在高温下Ti很容易与C、N、O、H等发生强烈反应,并对钛合金材料本身性能带来不利影响,例如钛合金与O反应使材料表面形成富氧层,使之性能下降;钛合金加热时容易吸H,引起氢脆。

                    真空状态下加热是最理想的气氛,见表1。

                    1 真空度和相对杂质含量及露点

                    1数据说明,真空状态下加热实质上是在非常稀薄的气氛下加热,当热场真空达到10-3 Pa时,可以实现钛合金的光亮处理。

                    本文所论述的真空水淬炉采用无碳元素的金属屏热场,辅以高真空加热友好环境,炉胆的加热元件为钼镧合金带,隔热屏是由钼屏+不锈钢屏组成复合隔热屏,对钛合金而言是一个清洁的加热??;真空系统配置了三级泵组,即:机械泵+罗茨泵+扩散泵,可以得到相当杂质含量≤0.01 ppm的气氛加热环境,为钛合金光亮、无氧化热处理强化提供安全保障。

                    2.3  热场炉温均匀性对钛合金热处理的影响

                    钛合金导热性差,导热系数只有铁的1/5,如果热场炉温均匀性不够,很容易造成零件局部温度过高,致使局部过热,超过β转变点形成魏氏组织。

                    高温立式真空水淬炉选用950℃进行炉温均匀性测试,9点测温,设备热场测试结果见图4。炬星GWDL高温立式真空水淬炉热场有效区内炉温均匀性达到了≤±3 ℃。

                    4 高温立式真空水淬炉炉温均匀性测试示意图

                    2.4  冷却介质对钛合金固溶过程的影响

                    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、非含氧气体以及水,选择不同的冷却介质具有不同的冷却速率,如图5所示。

                    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?;と却?,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。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。

                    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:N2、H2、HeAr,它们的导热能力有很大差别,H2的冷却能力最强,He次之,N2第三,Ar最次。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HeAr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。

                    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。

                    中国某公司使用型号炬星GWDL高温立式真空水淬炉对钛合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介质的冷却实验,结果如图6所示。

                    钛合金固溶处理金相照片(a) 水冷; (b) 油冷; (c)空冷

                    综上所述,选择不同的冷却介质对钛合金固溶处理的组织结构影响较大,只有淬火介质选择水,快速冷却才会得到理想的马氏体相变,淬火冷却速度决定固溶质量,对钛合金弥散强化起至关重要的作用。

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