钛合金（TA、TC、TB）阐述热处理工艺

Posted 2023-04-02

参考技术A 钛的热处理方法
一.钛的基本热处理:
工业纯钛是单相α 型组织,虽然在890℃以上有α-β 的多型体转变,但由于
相变特点决定了它的强化效应比较弱,所以不能用调质等热处理提高工业纯钛的
机械强度.工业纯钛唯一的热处理就是退火.它的主要退火方法有三种：1 再结
晶退火 2 消应力退火 3 真空退火.前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应,
以恢复塑性和成型能力.
工业纯钛在材料生产过程中加工硬度效应很大.图2-26 所示为经不同冷加
工后,TA2 屈服强度的升高,因此在钛材生产过程中,经冷、热加工后,为了恢
复塑性,得到稳定的细晶粒组织和均匀的机械性能,应进行再结晶退火.工业纯
钛的再结晶温度为550-650℃,因此再结晶退火温度应高于再结晶温度,但低于
α-β 相的转变温度.在650-700℃退火可获得最高的综合机械性能（因高于700℃
的退火将引起晶粒粗大,导致机械性能下降）.退火材料的冷加工硬化一般经
10-20 分钟退火就能消除.这种热处理一般在钛材生产单位进行.为了减少高温
热处理的气体污染并进一步脱除钛材在热加工过程中所吸收的氢气,目前一般钛
材生产厂家都要求真空气氛下的退火处理.
为了消除钛材在加工过程（如焊接、爆炸复合、制造过程中的轻度冷变形）
中的残余应力,应进行消应力热处理.
消应力退火一般不需要在真空或氩气气氛中进行,只要保持炉内气氛为微氧
化性即可.
二.钛及钛合金的热处理:
为了便于进行机械工业加并得到具有一定性能的钛和钛合金,以满足各种
产品对材料性能的要求,需要对钛及钛合金进行热处理.
1．工业纯钛（TA1、TA2、TA3）的热处理
α-钛合金从高温冷却到室温时,金相组织几乎全是α 相,不能起强化作用,
因此,目前对α-钛只需要进行消应力退火、再结晶退火和真空退火处理.前
两种是在微氧化炉中进行,而后者则应在真空炉中进行.
（一）消应力退火
为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生
的内应力,以便于以后加工,并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破
坏,对α-钛应进行消除应力退火处理.消除应力退火温度不能过高、过低,因为
过高引起晶粒粗化,产生不必要的相变而影响机械性能,过低又会使应力得不到
消除,所以,一般是选在再结晶温度以下.对于工业纯钛来说,消除应力退火的
加热温度为500-600℃.加热时间应根据工件的厚度及保温时间来确定.为了提
高经济效果并防止不必要的氧化,应选择能消除大部分内应力的最短时间.工业
纯钛消除应力退火的保温时间为15-60 分钟,冷却方式一般采用空冷.
（二）再结晶退火（完全退火）
α-钛大部分在退火状态下使用,退火可降低强度、提高塑性,得到较好的综
合性能.为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染,热处理温度尽可
能选得低些.工业纯钛的退火温度高于再结晶温度,但低于α 向β 相转变的温度
120-200℃,这时所得到的是细晶粒组织.加热时间视工件厚度而定,冷却方式
一般采用空冷.对于工业纯钛来说,再结晶退火的加热温度为680-700℃,保温
时间为30-120 分钟.规范的选取要根据实际情况来定,通常加热温度高时,保
温时间要短些.
需要指出的是,退火温度高于700℃时,而且保温时间长时,将引起晶粒粗
化,导致机械性能下降,同时,晶粒一旦粗化,用现有的任何热处理方法都难以
使之细化.为了避免晶粒粗化,可采取下列两种措施：
1）尽可能将退火温度选在700℃以下.
2） 退火温度如果在700℃以上时,保温时间尽可能短些,但在一般情况下,
每mm 厚度不得少于3 分钟,对于所有工件来讲,不能小于15 分钟.
（三）真空退火
钛中的氢虽无强化作用,但危害性很大,能引起氢脆.氢在α-钛中的溶解
度很小,主要呈TiH2 化合物状态存在,而TiH2 只在300℃以下才稳定.如将α-
钛在真空中进行加热,就能将氢降低至0.1%以下.当钛中含氢量过多时需要除
氢,为了除氢或防止氧化,必须进行真空退火.真空退火的加热温度与保温时间,
与再结晶退火基本相同.冷却方式为在炉中缓冷却到适当的温度,然后才能开炉,
真空度不能低于5×10-4mmHg.
二．TC4（Ti-6Al-4V）的热处理
在钛合金中,TC4 是应用比较广泛的一种钛合金,通常它是在退火状态下
使用.对TC4 可进行消除应力退火、再结晶退火和固溶时效处理,退火后的组织
是α 和β 两相共存,但β 相含量较少,约占有10%.TC4 再结晶温度为750℃.
再结晶退火温度一般选在再结晶温度以上80~100℃（但在实际应用中,可视具
体情况而定,如表5-26）,再结晶退火后TC4 的组织是等轴α 相+β 相,综合性
能良好.但对TC4 的退火处理只是一种相稳定化处理,为了充分民掘其优良性
能的潜力,则应进行强化处理.TC4 合金的α+β/β 相转变温度为980~990℃,固
溶处理温度一般选在α+β/β 转变温度以下40~100℃（视具体情况而定,如表5-26
所示）,因为在β 相区固溶处理所得到的粗大魏氏体组织虽具有持久强度高和断
裂韧性高的优点,但拉伸塑性和疲劳强度均很低,而在α+β 相区固溶处理则无此
缺点.
规 范
类 型
温 度（℃） 时间（min） 冷 却 方 式
消除应力退火 550~650 30~240 空 冷
再结晶退火 750~800 60~120 空冷或随炉冷却至590℃后空冷
真空退火 790~815
固溶处理 850~950 30~60 水 淬
时效处理 480~560 4~8h 空 冷
时效处理是将固溶处理后的TC4 加热到中等温度,保持一定时间,随后空冷.
时效处理的目的是消除固溶处理所产生的对综合性能不利的α’相.固溶处理所产
生的淬火马氏体α’,在时效过程中发生迅速分解（相变相当复杂）,使强度升高,
对此有两种看法：
1.认为由于α’分解出α+β,分解产物的弥散强化作用使TC4 强度升高.
2.认为在时效过程中,β 相分解形成ω 相,造成TC4 强化.
随着时效的进行,强度降低,对此现象也有两种不同的观点：
1．β 相的聚集使强度降低（与上述1 对应）.
2．ω 相的分解为一软化过程（与上述2 对应）.
时效温度和时间的选择要以获得最好的综合性能为准.在推荐的固溶及时效
范围内,最好通过时效硬化曲线来确定最佳工艺（如图5-28 所示.此曲线为TC4
经850℃固溶处理后,在不同温度下的时效硬化曲线）.低温时效（480-560℃）
要比大于700℃的高温时效好.因为在高温时的拉伸强度、持久和蠕变强度、断
裂韧性以及缺口拉伸性能等各方面,低温时效都比高温时效的好.
经固溶处理的TC4 综合性能比750-800℃ 退火处理后的综合性能要好.
需要指出的是,TC4 合金的加工态原始组织对热处理后的显微组织和力学性
能有较大的影响.对于高于相变温度,经过不同变形而形成的网兰状组织来说,
是不能被热处理所改变,在750~800℃退火后,基本保持原来的组织状态；对于
在相变温度以下进行加工而得到的α 及β 相组织,在750-800℃退火后,则能得
到等轴初生α相及转变的β相.前者的拉伸延性和断面收缩率都较后者低；但耐
高温性能和断裂韧性、抗热盐应力腐蚀都较高.
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的热处理
Ti-32Mo-2.5Nb 是稳定β 型单相固溶合金,只需进行消除应力退火处理,
退火温度为750~800℃,保温一小时,冷却方式采用空冷、炉冷均可.
五．热处理中的几个问题
（一）污染问题
钛有极高的化学活性,几乎能与所有的元素作用.在室温下能与空气中的氧
起反应,生成一层极薄的氧化膜,氧化速率很小.但在高的温度下,除了氧化速
率加快并向金属晶格内扩散外,钛还与空气中的氢、氮、碳等起激烈的反应,也
能与气体化合物CO、CO2、H2O、NH4 及许多挥发性有机物反应.热处理金属元
素与工件表面的钛发生反应,使钛表面的化学成分发生变化,其中一些间隙元素
还能透过金属点阵,形成间隙固溶体.况且除氢以外,其他元素与钛的反应是不
可逆的.即使是氢,也不允许在最终热处理后,进行高温去除.间隙元素不仅影
响钛和钛合金的力学性能,而且还影响α+β/β 转变温度和一些相变过程,因此,
对于间隙元素,尤其是气体杂质元素对钛和钛合金的污染问题,在热处理中必须
引起重视.
（二）加热炉的选择
为在加热过程中防止污染,必须对不同要求的工件采取不同的措施.若在最
后经磨削或其他机械加工能将工件表面的污染层去除时,可在任何类型的加热炉
中进行加热,炉内气氛呈中性或微氧化性.为防止吸氢,炉内应绝对避免呈还原
性气氛.当工件的最后加工工序为热处理时,一定要采用真空炉（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氩气气氛（氩气纯度在99.99%以上并且干燥）的加热炉中进行
加热.热处理完毕后,必要时用30%的硝酸加3%的氢氟酸其余为水,在50℃温
度下对工件进行酸洗,或轻微磨削,以除去表面污染层.
（四）加热方法
在热处理进行以前,首先要对加热炉炉膛进行清理,炉内不应有其他金属或
氧化皮；对于工件,则要求表面没有油污、水和氧化皮.
用真空炉对钛工件进行加热是防止污染的一种有效方法,但由于目前条件所
限,许多工厂还是采用一般加热炉.在一般加热炉中加热,根据需求的不同采用
不同的措施防止污染,比如：
1．根据工件的大小,可装在封闭的低碳钢容器中,抽真空后进行加热.若无真
空泵可通入惰性气体（氩气或氦气）进行保护,保护气体要多次反复通入、
排出,把空气完全排净.
2．使用涂层也是热处理中保护钛免遭污染的措施之一,在国外已取得一定的经
验.国内一些工厂也在采用高温漆和玻璃涂料作涂层.有人认为,目前对钛
所用的各种保护涂层,只能减少污染的深度,并不能完全免除污染.对每种
热处理,必须考虑允许的污染深度,选择合适有效的涂层,其中也包括热处
理后的剥离.
3．若用火焰加热,在加热过程中切忌火焰直接喷射在钛工件上,煤气火焰是钛
吸氢的主要根源之一.而用燃油加热,如若不慎将会引起钛工件过分氧化或
增碳.
（五） 冷却
钛和钛合金热处理的冷却方式主要是空冷或炉冷,也有采用油冷或风扇冷却
的.淬火介质可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液,但通常使用最广泛的淬火
介质是水.
只要能满足钛和钛合金对冷却速度的要求.一般钢的热处理所采用的冷却装
置对钛都适用.

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