鈦合金真空熱處理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

和 蓉，米 磊，郭 凱，何忝锜

（西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

鈦合金真空熱處理屬于重要的處理方式，尤其是其中的真空油淬處理，對鈦合金的質(zhì)量會產(chǎn)生直接的影響，并且真空水淬可以替代傳統(tǒng)的高壓氣淬冷卻，加快冷卻速度的同時增強材料的固溶強化效果，值得在鈦合金加工生產(chǎn)的過程中推廣應(yīng)用。

1 鈦合金真空熱處理的研究現(xiàn)狀

1.1 真空油淬冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀

此類技術(shù)在應(yīng)用的過程中，主要是將真空淬火油當(dāng)做是冷卻介質(zhì)，代替之前的鹽浴熱處理技術(shù)、氣氛保護熱處理技術(shù)，在一定程度上能夠保證力學(xué)性能，增強表面的光潔度，可以確保中和金剛與高合金鋼的淬火效果[1]。當(dāng)前此類技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在相關(guān)的熱處理行業(yè)之內(nèi)，在長時間設(shè)備改進(jìn)、工藝升級、提升淬火油品質(zhì)的情況下，技術(shù)已經(jīng)處于成熟的態(tài)勢。但是，在冷卻的過程中，速度較慢，如果不能合理控制，很容易在鈦合金熱處理期間形成脆性，并且在高溫加熱入油之后，工件的表面很容易和油蒸汽之間發(fā)生反應(yīng)形成增碳，對工件的性能造成不利影響，因此，不能應(yīng)用在鈦合金的真空熱處理工作中。

1.2 真空氣淬冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀

此類技術(shù)主要是通過非含氧類型的氣體進(jìn)行冷卻處理，在某些范圍之內(nèi)隨著爐體之內(nèi)氣體壓力的提升，冷卻的速度就會有所加快，目前真空氣淬的過程中，經(jīng)常使用的冷卻氣體就是氮氣、氦氣、氫氣、氬氣，不同的氣體之間有著一定的導(dǎo)熱性能差異，氫氣屬于冷卻性能最高的氣體，氦氣屬于第二，氬氣最低。采用氫氣進(jìn)行超高壓氣淬處理，冷卻的速度和水淬的速度較為接近，但是，在應(yīng)用期間風(fēng)險較大，進(jìn)行鈦合金高溫處理的過程中也可能會出現(xiàn)氫脆的現(xiàn)象，所以，不適合應(yīng)用在鈦合金真空熱處理的操作中。采用氨氣進(jìn)行超高壓氣淬，冷卻的速度在油淬與水淬處理的中間位置，能夠取代傳統(tǒng)的真空油淬操作方式，但是，由于其應(yīng)用的成本較高，在淬火操作之后還需進(jìn)行回收，操作難度大，很難高效化的應(yīng)用在鈦合金真空熱處理中。氮氣在應(yīng)用的過程中，成本較低、安全性較高，但是，缺乏一定的冷卻性能，高溫狀態(tài)之下也可能會和TI之間發(fā)生一定的反應(yīng)，導(dǎo)致工件的性能降低，也不適合進(jìn)行鈦合金的真空熱處理。

1.3 真空水淬處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

此類技術(shù)在應(yīng)用的過程中將水當(dāng)做是淬火方面的介質(zhì)，可以有效進(jìn)行鈦合金的固溶處理，在應(yīng)用的過程中，將工件設(shè)置在真空環(huán)境中，實現(xiàn)無氧化加熱處理之后，可以快速的轉(zhuǎn)移到淬火水槽之內(nèi)，獲取到相應(yīng)的固溶物質(zhì)，當(dāng)前國際中很多發(fā)達(dá)國家都在大力的研究鈦合金真空水淬的工藝技術(shù)、機械設(shè)備等等，在研究的過程中力圖降低生產(chǎn)成本，確保加工的性能，增強生產(chǎn)的效果和質(zhì)量。

2 鈦合金真空熱處理的發(fā)展趨勢

當(dāng)前我國在鈦合金真空水淬方面，應(yīng)用的是臥式真空水淬爐設(shè)備，主要是臥式真空油淬爐設(shè)備所演變，將其淬火的介質(zhì)從油料改變成為水分，雖然可以取得良好的成績，但是，很容易出現(xiàn)工件轉(zhuǎn)移時間過長的現(xiàn)象，大約在10秒鐘以上，對加熱室也可能造成一定污染，并且真空油泵很容易出現(xiàn)乳化的現(xiàn)象，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到污染，同時還需要使用氬氣進(jìn)行設(shè)備的洗護處理，應(yīng)用的成本較高。為了應(yīng)對此類問題，我國已經(jīng)開發(fā)出全新的立式真空水淬爐設(shè)備，針對于鈦合金的真空熱處理所開發(fā)的設(shè)備，在應(yīng)用的過程中，有著高真空加熱的性能，水介質(zhì)不僅能夠進(jìn)行淬火固液處理，還能更加準(zhǔn)確的進(jìn)行轉(zhuǎn)移時間的控制，在一定程度上能夠預(yù)防零件在熱處理過程中出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象，經(jīng)過設(shè)備真空熱處理之后，鈦合金零件的表面有著一定的光亮度，能夠為相關(guān)材料的熱處理提供一定強化支持。在未來發(fā)展的進(jìn)程中，采用立式真空水淬爐設(shè)備，具有以下幾種性能。

2.1 加熱室的應(yīng)用性能

對于立式真空水淬爐設(shè)備來講，主要是通過無碳元素金屬屏熱場，和相關(guān)的高真空加熱環(huán)境來進(jìn)行加熱，設(shè)備的內(nèi)膽屬于整體結(jié)構(gòu)，將鋁銅合金帶當(dāng)做是加熱元件，利用各種不銹鋼屏與鉬屏相互整合成為復(fù)合型的隔熱屏，可以將最高的加熱溫度控制在零上1350攝氏度，均溫性也能夠維持在5攝氏度之內(nèi)，不僅能夠確保鈦合金真空熱處理的穩(wěn)定性，還能形成良好的加熱場。有關(guān)的加熱室中存在三級泵組，也就是機械泵、擴散泵與羅茨泵，能夠獲取到雜質(zhì)含量小于0.01ppm的氣氛，并且加熱的環(huán)境較為良好，在其中進(jìn)行鈦合金熱處理，能夠確保表面的光亮度，營造無氧化的熱處理環(huán)境，對于強化材料來講具有重要意義[3]。

2.2 淬火室的應(yīng)用性能

對于淬火室來講，其中主要是圓筒類型的特殊性結(jié)構(gòu)，并且還有用來進(jìn)行構(gòu)件橫向轉(zhuǎn)移的機械傳動平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)三個工位同時運轉(zhuǎn)的目的，并且運轉(zhuǎn)的工位和加熱室之間相互對接，在雙室對接的情況下，更好地在水介質(zhì)中完成淬火操作。在有關(guān)的淬火室之內(nèi)，有物料升降運載的相關(guān)系統(tǒng)，能夠針對工件進(jìn)行輸送和轉(zhuǎn)移，時間在6秒鐘之內(nèi)，并且沒有水蒸氣，不會對真空泵組造成污染。在淬火室之內(nèi)還有獨立性的真空系統(tǒng)，可以為熱處理提供真空的這個狀態(tài)，將真空度控制在10PA，保證從加熱室將工件轉(zhuǎn)移到淬火室的這個過程不會發(fā)生氧化的問題。在淬火室中還有水文傳感器設(shè)備、加熱器設(shè)備、制冷器設(shè)備、水位傳感器設(shè)備與水?dāng)嚢柘到y(tǒng)，在各種系統(tǒng)的協(xié)同運作下可以更為準(zhǔn)確的控制淬火介質(zhì)的溫度，將水溫控制在零上13攝氏度上下，并且其中的水?dāng)嚢柘到y(tǒng)還能進(jìn)行介質(zhì)的強烈攪拌，增強冷卻處理的效果，使得工件可以均勻性的冷卻[4]。

2.3 整體設(shè)備的應(yīng)用性能

完成工件的加熱處理、保溫處理之后，從加熱室進(jìn)入水介質(zhì)，直到將所有的工件全部浸沒為止，在此期間固溶處理的轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)中，會因為淬火延遲出現(xiàn)耗費時間的現(xiàn)象，而從理論層面來講，淬火延遲的時間應(yīng)該控制在最低范圍之內(nèi)，一旦延遲時間過高，將會導(dǎo)致工件表面的溫度大幅度降低，對于馬氏體相變方面、顯微組織方面會造成不良的影響，工件的性能也會隨之降低。尤其當(dāng)前所使用的α+β鈦合金工件，如果淬火延遲的時間超出8秒鐘，將會導(dǎo)致α相和原本β相的界形合并長大，在一定程度上會導(dǎo)致淬火狀態(tài)力學(xué)性能受到一定的影響，不能確保熱處理的效果。因此，在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)該按照當(dāng)前所存有的淬火延遲問題，合理設(shè)計從加熱室將工件轉(zhuǎn)移到淬火室方面的軌跡，最好是采用垂直降落的形式，通過軌跡的改善來減少轉(zhuǎn)運時間，將其控制在6秒鐘之內(nèi)，同時還需預(yù)防蒸汽對真空泵組造成污染，確保真空熱處理的效果和性能[5]。

根據(jù)相關(guān)的監(jiān)測可以得知，使用立式的真空熱處理設(shè)備，在鈦合金加工過程中，可以確保工件外觀的光亮度，不會出現(xiàn)氧化的顏色，并且淬透性較高，能夠在直徑20毫米的截面之內(nèi)進(jìn)行淬透處理。并且在加工之后，很少會出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象，能夠?qū)⑷鴦恿刻嵘?.02毫米，在處理之后可以從根本上提升工件機械性能，有著一定的應(yīng)用優(yōu)勢和價值。因此，在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)重點使用立式真空水淬爐設(shè)備，確保鈦合金真空熱處理的效果。

3 結(jié)語

綜上所述，在鈦合金固溶強化的過程中，需要保證冷卻的快速性，還要預(yù)防和碳元素、氮元素、氧元素、氫元素之間發(fā)生反應(yīng)，處理的難度較高，采用真空水淬技術(shù)不僅可以滿足此類要求，還能確保淬火工藝的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的臥室真空水淬爐設(shè)備在應(yīng)用的過程中，轉(zhuǎn)移時間很長，不能確保鈦合金的真空熱處理效果，而立式真空水淬爐設(shè)備在應(yīng)用的過程中，可以減少轉(zhuǎn)移的時間，彌補了傳統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用過程中的不足和缺陷，能夠解決目前在真空熱處理方面的技術(shù)難題，確保鈦合金工件的高效化、有效性加工處理，具有一定的應(yīng)用價值，因此，在鈦合金真空熱處理未來發(fā)展的過程中，應(yīng)該重視有關(guān)立式真空水淬爐設(shè)備的應(yīng)用，保證工件的加工質(zhì)量和效果。