鈦合金及其熱處理工藝設計簡述

1、. 鈦合金及其熱處理工藝簡述鈦業(yè)股份：新林摘要：本文對鈦及其合金的根本信息進展了簡要介紹，對鈦的幾類固溶體劃分進展了簡述，對鈦合金固態(tài)相變也進展了概述。重點概述了鈦合金的熱處理類型及工藝，為之后生產(chǎn)實習中對鈦合金的熱處理工藝認識提供指導。關(guān)鍵詞：鈦合金，熱處理1 引言鈦在地殼中的蘊藏量位于構(gòu)造金屬的第四位,但其應用遠比銅、鐵、錫等金屬滯后。鈦合金中溶解的少量氧、氮、碳、氫等雜質(zhì)元素,使其產(chǎn)生脆性,從而阻礙了早期人們對鈦合金的開發(fā)和利用。直至二十世紀四五十年代,隨著英、美及聯(lián)等國鈦合金熔煉技術(shù)的改良和提高,鈦合金的應用才逐漸開展5。純鈦的熔點為1668,高于鐵的熔點。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,

2、在882.5以上為體心立方晶格的相,在882.5以下為密排六方晶格的相。鈦合金根據(jù)其退火后的室溫組織類型進展分類,退火組織為相的鈦合金記為TA*,也稱為型鈦合金；退火組織為相的鈦合金記為TB*,也稱為型鈦合金；退火組織為+兩相的鈦合金記為TC*,也稱為+型鈦合金,其中的*為順序號。我國目前的鈦合金牌號已超過50個,其中TA型26個,TB型8個以上,TC型15個以上5。鈦合金具有如下特點：1與其他的合金相比,鈦合金的屈強比很高,屈服強度與抗拉強度極為接近；2鈦合金的密度為4g/cm3,大約為鋼的一半,因此,它具有較高的比強度；3鈦合金的耐腐蝕性能優(yōu)良,在海水中其耐蝕性甚至比不銹鋼還要好；4鈦合金

3、的導熱系數(shù)小,摩擦系數(shù)大,因而機械加工性不好；5在焊接時,鈦合金焊縫金屬和高熱影響區(qū)容易被氧、氫、碳、氮等元素污染,使接頭性能變壞。在熔煉和各種加工過程完成之后,為了消除材料中的加工應力，到達使用要求的性能水平，穩(wěn)定零件尺寸以及去除熱加工或化學處理過程中增加的有害元素(例如氫)等,往往要通過熱處理工藝來實現(xiàn)。鈦合金熱處理工藝大體可分為退火、固溶處理和時效處理三個類型。由于鈦合金高的化學活性,鈦合金的最終熱處理通常在真空的條件下進展。熱處理是調(diào)整鈦合金強度的重要手段之一。2 鈦合金的合金化特點鈦合金的性能由Ti同合金元素間的物理化學反響特點來決定，即由形成的固溶體和化合物的特性以及對轉(zhuǎn)變的影響等

4、來決定。而這些影響又與合金元素的原子尺寸、電化學性質(zhì)在周期表中的相對位置、晶格類型和電子濃度等有關(guān)。但作為Ti合金與其它有色金屬如Al、Cu、Ni 等比擬，還有其獨有的特點，如：1利用Ti的轉(zhuǎn)變，通過合金化和熱處理可以隨意得到、+和相組織；2Ti是過渡族元素，有未填滿的d電子層，能同原子直徑差位于20以的置換式元素形成高濃度的固溶體；3Ti及其合金在遠遠低于熔點的溫度中能同O、N、H、C等間隙式雜質(zhì)發(fā)生反響，使性能發(fā)生強烈的改變；4Ti同其它元素能形成金屬鍵、共價鍵和離子鍵固溶體和化合物。Ti合金合金化的主要目的是利用合金元素對或相的穩(wěn)定作用，來控制和相的組成和性能。各種合金元素的穩(wěn)定作用又與

5、元素的電子濃度價電子數(shù)與原子的比值有密切關(guān)系，一般來說，電子濃度小于4的元素能穩(wěn)定相，電子濃度大于4的元素能穩(wěn)定相，電子濃度等于4的元素，既能穩(wěn)定相，也能穩(wěn)定相。工業(yè)用Ti合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和Si等，按其對轉(zhuǎn)變溫度的影響和在或相中的固溶度可以分為三大類：穩(wěn)定元素、穩(wěn)定元素、中性元素6,7。穩(wěn)定元素能提高相變點，在相量溶解和擴大相區(qū)。例如鋁、鎵、硼、碳、氧、氮等。這其中,鋁在配制合金中得到了廣泛的應用。鋁的固溶強化效果最顯著,還可提高合金的高溫強度,提高+型合金的時效能力,改善合金抗氧化性,減小合金密度,提高彈性模量。穩(wěn)定元素能降低相變溫度，在

6、相量溶解和擴大相區(qū)。其中鋁、釩、鈮、鉭、鎢等屬于同晶型的,在鈦中可以無限固溶,而鐵、錳、鈷、鎳、銅、硅等,在鈦中只形成有限的固溶體,在含量一樣時,它們的固溶強化效果大于同晶型穩(wěn)定元素的固溶強化效果。就氧而言,Ti-6Al-4V(TC4)根據(jù)碳、氧、氮、氫等元素含量的不同有工業(yè)級(含氧0.16%0.20%wt)和ELI級(超低間隙,含氧0.1%0.13%wt)。因為氧元素為穩(wěn)定元素,使得合金的轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化,對工業(yè)級而言,為10101020,對ELI級為9709808。中性元素在實用含量圍,對p相向a相的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響不大，在和相中均能大量溶解或完全互溶。中性元素主要有錫、鋯、鉿。穩(wěn)定

7、型二元相圖、穩(wěn)定型二元相圖及共析型二元相圖分別如圖1圖3。3 鈦合金固態(tài)相變純Ti的轉(zhuǎn)變，是體心立方晶格向密排六方晶格的轉(zhuǎn)變，完全符合Burgers的取向關(guān)系：(110)/(0001)，111/110 ；慣習面是(331)，或(8811)、(8912)。但Ti合金因合金系、濃度和熱處理條件不同，還會出現(xiàn)一系列復雜的相變過程。這些相變可歸納為兩大類，即淬火相變：，q ,和回火相變:(,，) +q+3.1 馬氏體轉(zhuǎn)變穩(wěn)定型Ti合金自相區(qū)淬火，會發(fā)生無擴散的馬氏體轉(zhuǎn)變，生成過飽和固溶體。如果合金的濃度高，馬氏體轉(zhuǎn)變點Ms降低到室溫以下，相將被凍結(jié)到室溫。這種相稱殘留相或過冷相，用表示。值得說明的是，

8、當合金的相穩(wěn)定元素含量少，轉(zhuǎn)變阻力小，相可由體心立方晶格直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц?，這種馬氏體稱六方馬氏體，用表示。如果穩(wěn)定元素含量高，轉(zhuǎn)變阻力大，不能直接轉(zhuǎn)變成六方晶格，只能轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈骄Ц?，這種馬氏體稱斜方馬氏體，用表示圖4。六方馬氏體有兩種慣習面。以334面為慣習面的馬氏體濃度低，Ms 高，稱334型六方馬氏體，取向關(guān)系為(0001)/110，110/111；以334面為慣習面的馬氏體稱334型六方馬氏體濃度高，Ms 點低，取向關(guān)系仍為(0001)/110，110/111。斜方馬氏體的慣習面為133，取向關(guān)系為(001)/110，110/111。 Ti 合金的馬氏體轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D4所示，與相的濃度和

9、轉(zhuǎn)變溫度有密閉關(guān)系。由圖可知，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms 是隨合金元素含量的增加而降低，當合金濃度增加到臨界濃度Ck，Ms點即降低到室溫，相即不再發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。同樣，成分已定的合金，隨著淬火溫度的降低，相的濃度將沿(+)轉(zhuǎn)變曲線升高濃度沿曲線向右方移動，當淬火溫度降低到一定溫度，相的濃度升高到Ck時，淬火到室溫相也不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這一溫度稱臨界淬火溫度，可用Tc表示。Ck 和Tc在討論Ti合金的熱處理和組織變化時，是非常重要的兩個參數(shù)。馬氏體的形態(tài)與合金的濃度和Ms上下有關(guān)。六方馬氏體有兩種形態(tài)，合金元素含量低圖4，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms高時，形成板條狀馬氏體。這種六方馬氏體有大量的位錯，但根本上沒有

10、孿晶，是單晶馬氏體。反之，合金元素含量高，Ms 點降低，形成針狀或鋸齒形馬氏體。這種六方馬氏體有高的位錯密度和層錯，還有大量的101c孿晶，是孿晶馬氏體。斜方馬氏體，由于合金元素含量更高，Ms點更低，馬氏體針更細，可以看到更密集的孿晶。但應指出，Ti合金的馬氏體是置換型過飽和固溶體，與鋼的間隙式馬氏體不同，強度和硬度只比相略高些，強化作用不明顯。當出現(xiàn)斜方馬氏體時，強度和硬度特別是屈服強度反而略有降低。Ti合金的濃度超過臨界濃度Ck圖4，但又不太多時，淬火后會形成亞穩(wěn)定的過冷相。這種不穩(wěn)定的相，在應力或應變作用下能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這種馬氏體稱應力感生馬氏體，屈服強度很低，但有高的應變硬化率和塑性

11、，有利于均勻拉伸成型操作。3.2相的形成穩(wěn)定型Ti合金的成分位于臨界濃度ck 附近時，如Blackburn說明圖所示圖4，淬火時除了形成或外，還能形成淬火相，用q表示。q是六方晶格，a=0.4607nm，c=0.2821nm，c/a=0.613，與相共生，并有共格關(guān)系。q是無擴散轉(zhuǎn)變，無論如何快冷也不能被阻止，與相的取向關(guān)系：0001/111，(110)/(10)。相的形狀與合金元素的原子半徑有關(guān)，原子半徑與Ti相差較小的合金，相是橢圓形，半徑相差較大時是立方體形。相的濃度遠遠超過臨界濃度Ck的合金，淬火時不出現(xiàn)相，但在200500回火，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橄?。這種相稱回火相或時效相，用q表示。q相的形

12、接是無擴散過程，但長大要靠原子擴散，是轉(zhuǎn)變的過渡相。由500以下回火形成的q相，是由于不穩(wěn)定的過冷相在回火過程中發(fā)生了溶質(zhì)原子偏聚，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)和貧化區(qū)，當貧化區(qū)的濃度接近Ck時即轉(zhuǎn)變?yōu)閝。相硬而且脆HB=500,=0，雖能顯著提高強度、硬度和彈性模量，但塑性急劇降低。當相的體積分數(shù)Fv80，合金即完全失去了塑性；如果Fv控制在50%左右，合金會有較好的強度和塑性的配合。相是Ti合金的有害組織，在淬火和回火時都要避開它的形成區(qū)間，但加Al 能抑制相的形成。大多數(shù)工業(yè)用Ti合金都含有Al，故回火q相一般很少出現(xiàn)或體積分數(shù)Fv很小。3.3亞穩(wěn)定相的分解鈦合金淬火形成的、和相都是不穩(wěn)定的，回火

13、時即發(fā)生分解。各種相的分解過程很復雜，但分解的最終產(chǎn)物都是平衡的+相。如果合金是共析型的，分解的最終產(chǎn)物將是+Ti*My 化合物。但應說明，這種共析分解在一定條件下可以得到彌散的+相，有彌散硬化作用，是Ti合金時效硬化的主要原因。各種亞穩(wěn)定相的分解過程如下。1過冷相分解有兩種分解方式：+* +e q + * q +* +e式中的q是回火相；*是濃度比高的相,e濃度的相。高溫回火，可以越過形成q的過渡階段，直接按第一種反響式進展；如果回火溫度低，則按第二種反響式發(fā)生分解：先析出a,使相的濃度升高到*，隨后a再分解出，使*的濃度升高到e，最后變成+e。2馬氏體的分解。馬氏體在300400即能發(fā)生快

14、速分解，但在400500回火可獲得彌散度高的+相混合物，使合金彌散強化。實驗研究說明，馬氏體要經(jīng)過許多中間階段才能分解為平衡的+或+ Ti*My。*射線構(gòu)造分析發(fā)現(xiàn)，各種Ti合金的馬氏體，有三四種過渡分解階段?，F(xiàn)舉兩種典型分解過程如下，第一種：s+ds +分解過程是先從中析出 s非平衡成分，使中的穩(wěn)定元素貧化變成d，然后轉(zhuǎn)變?yōu)椋俎D(zhuǎn)變?yōu)?。另一種典型分解過程為：+c+ s +這個分解過程是無從中析出，使所含穩(wěn)定元素富化成c，然后再轉(zhuǎn)變?yōu)閟和相。六方馬氏體的分解過程與根本一樣。3相的分解相實際上是穩(wěn)定元素在相中的過飽和固溶體，回火分解過程也很復雜，與的分解過程根本一樣，但分解過程隨相本身的成分、合

15、金元素的性質(zhì)和熱處理條件等而不同。4 鈦合金熱處理在鈦合金材料的工程應用中,熱處理工藝是確保鈦合金正確使用的重要手段。鈦合金的熱處理工藝主要包括以下幾種類型:退火處理,固溶處理和時效處理。根據(jù)鈦合金的不同類型和不同的退火目的,退火處理又可分為消除應力退火,完全退火(再結(jié)晶退火),雙重退火,等溫退火,脫氫真空退火等幾種形式。根據(jù)加熱溫度的不同,固溶處理又可分為以下兩種類型:在+/相變點溫度以上進展的固溶處理,簡稱為固溶;在+/相變點溫度以下進展的固溶處理,簡稱為+固溶。對于時效處理,根據(jù)時效后獲得的強度水平,有峰值時效和過時效(軟化時效)之分。+型鈦合金典型的組織形態(tài)如圖5所示：鈦合金熱處理有以

16、下特點：1馬氏體相變不能引起合金的顯著強化，這個特點與鋼的馬氏體相變不同，鈦合金的熱處理強化只能依賴淬火形成的亞穩(wěn)相包括馬氏體相的時效分解。2應防止形成相。形成相會使合金變脆，正確選擇時效工藝如采用高一些的時效溫度，即可使相分解為平衡的+相。3同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變難以細化晶粒。4導熱性差。導熱性差可導致鈦合金，尤其是+合金的淬透性差，淬熾熱應力大，淬火時零件容易翹曲。由于導熱性差，鈦合金變形時易引起局部溫升過高，使局部溫度有可能超過相轉(zhuǎn)變溫度而形成氏組織。5化學性活潑。熱處理時，鈦合金易與氧和水蒸氣反響，在工件外表形成一定深度的富氧層或氧化皮，使合金性能變壞。鈦合金熱處理時容易吸氫，引起氫脆。6相變溫

17、度差異較大，即使是同一成分，但冶煉爐次不同的合金，其轉(zhuǎn)變溫度有時也會有很大差異一般相差570。這是制定工件加熱溫度時要特別注意的特點。7在相區(qū)加熱時晶粒長大傾向大。晶粒粗化可使塑性急劇下降，故應嚴格控制加熱溫度與時間，并慎用在相區(qū)溫度加熱的熱處理。4.1熱處理工藝簡述退火處理1消除應力退火主要目的是消除在冷加工、冷成形及焊接等工藝過程中產(chǎn)生的應力。這種退火有時也稱為不完全退火。在這一過程中主要發(fā)生回復。退火的溫度低于該合金的再結(jié)晶溫度，消除應力退火的時間取決于工件的厚度、剩余應力大小、所用的退火溫度以及希望消除應力的程度，其冷卻的方式一般采用空冷，對于大尺寸和形狀復雜的零件也可以采用爐冷。2完

18、全退火主要目的是為了使組織和相成分均勻、降低硬度、提高塑性、獲得穩(wěn)定的或具有一定綜合性能的顯微組織。幾完全退火過程中主要是發(fā)生再結(jié)晶，完全退火的溫度高于該合金的再結(jié)晶溫度，所以也稱為再結(jié)晶退火。3雙重退火包括高溫和低溫兩次退火處理，其目的是為了使合金組織更接近平衡狀態(tài)，以保證其在高溫及長期應力作用下的組織及性能穩(wěn)定性。雙重退火特別適用于高溫鈦合金。4等溫退火對+型鈦合金在+/轉(zhuǎn)變溫度以下100的圍保溫后直接轉(zhuǎn)移到比該合金實際使用溫度稍高的爐繼續(xù)保溫一定時間，然后出爐空冷。等溫退火是雙重退火的種特殊形式。5真空退火是為防止鈦臺金氧化及污染而在真空條件下進展的退火，同時，真空退火還可局部去除鈦合金

19、中的氫含量，防止鈦合金發(fā)生氫脆。固溶處理鈦合金進展固溶處理的目的是獲得可以產(chǎn)生時效強化的亞穩(wěn)定相，即將固溶體以過飽和的狀態(tài)保存到室溫。固溶處理的溫度選擇在+/轉(zhuǎn)變溫度以上或以下的一定圍進展(分別稱為固溶和+固溶)，固溶處理的時間應能保證合金元素在相中充分固溶。時效處理鈦合金進展時效處理的目的是為了促進固溶處理產(chǎn)生的亞穩(wěn)定相發(fā)生分解，產(chǎn)生強化效果。時效過程取決于時效溫度和時效時間、時效溫度和時效時間的選擇應該以合金能獲得最好的綜合性能為原則。確定鈦合金的時效工藝通常是根據(jù)時效硬化曲線來進展。時效硬化曲線描述了合金在不同時效溫度下，力學性能與時效時間的關(guān)系，力學性能可以是室溫抗拉性能，也可以是硬度

20、或其他性能。時效溫度的選擇，通常應避開。相脆化區(qū)，因此，一般選擇在500以上9。時效溫度太低，難于避開相，假設溫度過高，則由相直接分解的相粗大，合金的強度降低。根據(jù)時效后的強化效果，可以將時效分為峰值時效和過時效。幾峰值時效的強度高，塑性相對滿意；過時效則強度下降，而塑性更好，高溫下的組織穩(wěn)定性 (熱穩(wěn)定性)及耐蝕性能好。有些合金為了獲得較好的韌性和抗剪切性能，也采用較高溫度時效。這種時效也稱為穩(wěn)定化處理。為了使合金在使用溫度下有較好的熱穩(wěn)定性，可以采用在使用溫度以上的時效。有時為了控制時效析出相的大小、形態(tài)和數(shù)量，*些合金還可以采用多級時效處理，也稱為分級時效。分級時效通常先低溫時效，然后再

21、較高溫度時效。4.2 實用鈦合金熱處理工藝4.2.1 型鈦合金對型鈦合金，由于兩相區(qū)很小，退火溫度一般選擇在+/相變點以下120200。對TA7鈦合金如圖6，其+/相變點為950900，板材退火溫度選定在700750，棒材退火溫度選定在800850。溫度過高會引起氧化和晶粒長大，溫度過低時再結(jié)晶進展不完全。 a型鈦合金不能通過固溶時效進展強化，通常不進展固溶處理。對于a+化合物型鈦合金，固溶處理的目的是為了保存過飽和固溶體，固溶處理溫度一般選擇在剛剛低于共析溫度，例如Ti-2Cu合金，共析溫度為798，固溶處理溫度選擇在790，冷卻方式可選擇空冷。4.2.2 +型鈦合金這類合金的完全退火溫度一

22、般選在+/相變點以下120200，冷卻方式采用空冷。例如對TC4鈦合金如圖7，其+/工程相變點為98010109，則完全退火溫度選為750850，消除應力退火溫度選在700800。 TC6鈦合金的轉(zhuǎn)變溫度約為965，對TC6棒材在870920保溫12h，然后自接轉(zhuǎn)移至550650的另一爐中保溫2h，空冷等溫退火，或高溫階段完畢后，翻開爐門待爐溫降至550650后保溫2h，再空冷。+型鈦合金在退火中除發(fā)生再結(jié)晶之外，還會有相和相在組成、數(shù)量及形態(tài)上的變化。鄒清燕等10對TC11棒材初生相含量與熱處理溫度的關(guān)系研究說明，在相變點(轉(zhuǎn)變溫度)以下3545退火處理可以得到初生的體積百分數(shù)為35%50%

23、而且形貌也比擬好的組織。+型鈦合金固溶處理溫度通常選擇在+/相變點以下40100，即兩相區(qū)的上部溫度圍，但不加熱到單相區(qū)，因為加熱到單相區(qū)后，會產(chǎn)生粗大晶粒，對韌性有害、固溶處理的時間應能保證合金元素在固溶體中充分固溶。固溶處理時應迅速，通常采用水冷或油冷。時間稍加延誤，會在原始晶粒的晶界上析出二相，影響固溶處理的效果。以TG4為例，最小截面厚度在6mm以下、625mm及25mm以上時，固溶處理延遲的最長時間分別規(guī)定為6s、8s和lOs。對TG4鈦合金棒材、鍛件而言，固溶處理的溫度通常為900970 ,保溫時間根據(jù)材料尺寸而在20120min圍變化，采用水淬。尺寸小，需要的保溫時間也相應減少。

24、通常對于+型鈦合金，根據(jù)合金成分的不同，時效溫度選取500600，時間為412h。冷卻方式均采用空冷。對TC4鈦合金，時效溫度選480690圍，時效時間選擇28h114.2.3 型鈦合金對于型鈦合金，完全退火即固溶處理，退火溫度一般選擇在+/相變點以上80100。完全退火的保溫時間取決于退火處理的零件及半成品的截面尺寸。尺寸越大，需要的退火保溫時間相應增加。型鈦合金的固溶溫度應選擇在轉(zhuǎn)變溫度上下附近位置，例如TB2的轉(zhuǎn)變溫度為750，其固溶溫度實際選定為750800。假設固溶處理溫度選擇過低，固溶合金元素擴散不夠充分，原始相多，固溶時效后強化效果差。如果固溶溫度選擇過高，則晶粒粗化，固溶時效后的強化效果也會降低。冷卻大多采用水冷，但有些合金例如TB2等也可采用空冷以防形變。對型鈦合金，通常固溶處理保溫時間比兩相合金要短些，例如Ti-8Al-Mo-V 型)棒材、