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钛合金材料的热处理工艺及控制研究

2019-12-30姜雨昂

中国科技纵横 2019年21期
关键词:钛合金热处理控制

姜雨昂

摘 要:由于钛合金材料具有化学性能良好的特点,因此在工业制造领域中得到了广泛的应用,特别是在航空制造惬意中,钛合金材料更是发挥出了其强度高以及质量轻的优点,并且得到了行业的认可。鉴于此,本文就钛合金材料的热处理工艺及控制展开探讨,以期为相关工作起到参考作用。

关键词:钛合金;热处理;工艺;控制

中图分类号:TG156 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)21-0072-02

1 材料控制

钛合金材料在入厂之前,需要对钛合金材料的合格证、规格、标识、毛坯尺寸、试验情况以及数量等各项性能指标进行检查,使其具备相应性能指标的要求。钛零件材料的退火组织通常可被分为α、近α、β以及α-β等4种类型,如表1所示为热处理之后的钛零件状态以及相应符号。

惰性气体、空气或者真空都能够作为炉内的加热介质。如果要求零件表面不受污染,就需要将其置于惰性气体或者真空环境中进行加热处理,该过程不仅会用到吸热或者放热式气氛,同时还会出现氨气裂解之后的氢气气氛。通常情况下,冷却介质有惰性气体、空气以及油或水,不能使用盐浴。

2 设备控制

2.1 加热设备

应该用惰性气体、空气炉以及真空炉做好钛合金零件的加热处理工作,以此来最大限度降低氮气、氧气以及氢气对钛合金零件的污染程度。同时,应该确保进行过热处理之后的钛合金零件满足工程图样标准。加热设备的配套仪表装置还应该具备控温、记录以及超温报警等方面的作用。热处理工作进行完之后,需要对钛合金零件表面运用空气炉加热来除去污染状况。

2.2 冷却设备

在淬火槽中配备冷却、加热介质,在每台淬火槽中还应该配备分辨率小于5℃的控温装置以及温度仪表。在使用厚板、薄板以及带状材料进行固溶预热处于之后,需要适应流体淬火或者是喷雾冷却系统。在零件出炉的时候,这一系統能够将液体或者雾状的淬火剂用一定的流速均匀喷涂于零件表面,并且何其保持一定的时间,从而有效保障在对零件进行固溶处理之后能够满足规定要求的性能。

3 工艺控制

3.1 退火钛合金

如表2所示为零件的退火要求表,如表3所示为最大截面厚度和保温时间关系图,如表2所示是对保温时间的选择,保温时间的选取也可以根据最大截面厚度以及零件的条件厚度从表3中获取。

如果退火作业在空气炉中进行,此时一旦对于零件表面的污染度有要求,就需要在惰性气体或者真空炉中退火。在落实等温退火作业的时候,一旦零件尺寸过大,就需要借助转炉以及开门炉使其处于冷却状态,这样一来也不会引发冷却速度太慢而带来的金相组织过大的问题。如果必须要进行水淬,该项工作完成之后还需要在730~760℃的环境中保温1~3h,再第2次完成退火。

3.2 除氢

在开展除氢工作的时候,应该将炉内的压强控制在 7×10-2Pa范围内,通常情况下应该保持加热温度在600~750℃之间,并且保温至少1h。在截面厚度大于50mm时,应该保温超过3h。保温作业完成之后,需要在氩气中使零件快速冷却,使其低于200℃之后在出炉,而在CWA或STA状态之下的钛合金不可使用真空除氢。

3.3 消除应力

根据相关规定实施相应的加热以及保温作业的时候,结束该项工作之后,需要使零件随炉或者在空气中进行冷却,而固溶热处理过的钛合金,应该除去应力退火,并且加热温度不能高于时效温度,或者应该在第2阶段完成退火作业。

3.4 固溶热处理

在开展固溶热处理作业之前,需要做好所有零件上的边角、棱边以及转角位置的倒圆以及修整作业,同时需要按照相关规定控制好固溶热处理的加热温度,保温时间可以参考条件厚度或者是零件的最大截面厚度进行选择。

3.5 淬火

钛合金零件淬火冷却不仅可以在惰性气体或者空气中进行,对于所有能够进行热处理的钛合金零件,都能够将其完全侵到水中完成淬火作业,对于带材、薄板以及厚板都可以使用水流淬火或者喷射的水雾进行淬火。对于β稳定系数相对较高的合金,可适当延长淬火转移的时间,但是,应该使其能够在淬火之后满足性能指标的需求。从打开炉门的时候开始对淬火转移时间进行计时,将其完全侵入到淬火介质中作为结束时间。

4 维护控制

4.1 热前

热前,对零件表面的油脂、卤化物以及其他有害物质应该使用干净的白布或者丙酮进行处理。对于不能进行酸洗或者碱洗的钛合金,就不能使用甲醇或者卤化熔剂进行除油操作,并且,还应该做好工装夹具的清理作业。除此之外,还需要用到能够控制表面污染的防护涂层,避免在落实热处理工作的时候零件出现起皮现象。对于含有禁用气氛的炉腔,需要使用惰性气体或者空气进行清理,并且要将所用气体的量清洗到至少是炉腔容积的2倍。在装炉之前,应该做好空气炉的清洗作业,用气流进行清洗,就应该控制炉内的最低温度与零件进行热处理过程中既定的保温温度一致。

4.2 热后

在完成热处理工作之后,通过化学铣切、酸洗除去钛合金零件表面的氧化皮。除去精加工表面的氧化层之后,需要将一定深度的基体金属除去,对零件在惰性气体或者真空中进行加热,一旦零件的表面伴随干黄色的氧化膜产生,不能将其予以清除;如果其表面出现淡紫色、褐色、灰色或者是蓝色的氧化膜,就需要开展清理工作。

4.3 装挂

在对零件进行挂装、吊装以及支撑的过程中,需要注意各种方式的使用不能影响到加热介质的自由循环,并且,应该尽可能降低加热以及冷却时的变形量,大零件之间的间距应该控制在20mm,所有用到的工装夹具,都应该确保其是由耐热合金制造而成的,但是,避免其与钛合金发生反应,热处理工作的实施也应该做好零件表面的清理工作。

4.4 加热和保温

设定控温仪表主要是为了对温度进行操控,一旦用公差对温度进行控制,就需要将炉温控制在设定的范围内。如果零件的操作条件、形状、材料以及尺不会让零件产生裂纹,就需要保障零件在满足热处理工艺要求的基础之上的情况下入炉。在使用真空炉或者是惰性气体炉的时候,需要进行零件冷态装炉,并且在炉温度不断升高的情况下使其达到处理温度。

4.5 加热

需要做好零件的保温处理工作,以此来确定最大截面中心是否与规定的温度一致,必要的条件下需要进行扩散以及转变。对于惰性气体炉和空气炉,在零件入炉之后,如果工作区中的最低温度记录在规定温度的最低值的时候,需要对保温时间进行计算。在很具要求对真空炉使用生产载荷热电偶的时候,最起码应该使用超过2根的生产载荷热电偶来确定两件的滞后时間、加热温度以及保温时间。如果载荷热电偶中温度最低的那一根满足最低的热处理温度值的时候,需要对加热保温时间进行计算。

5 质量控制

5.1 零件质量控制

热处理工作结束之后,需要对零件的外观质量进行检查,在惰性气体或者真空炉中开展零件的处理工作,此时,零件外观颜色为亮银色时最佳。将零件置于真空炉或者惰性气体中进行处理的的时候,不能在表面出现容易剥落的白色薄层或者是硫黄色。在零件中不得出现富氧α相层,一旦出现就需要及时予以清除。

5.2 记录质量控制

在整个热处理的过程中,需要确保记录工作的完整性。其中包含温度记录图表、力学性能试验报告、处理卡片以及金相。在温度记录图表上应该将日期、编号、图号、零件名称、内卡号以及总卡号等记录完整,并且应该有相应的操作者以及仪表员的签名以及检验工作者的印章,对所有的报告和记录都应该进行归档处理。

6 结语

综上所示,通过对钛合金零件热处理的材料、设备以及加工环境进行合理把控,不仅能够起到优化工艺条件的目的,并且还能够节约成本,提高生产效率。

参考文献

[1] 刘杰.激光沉积TC4/TC11梯度结构工艺研究[D].沈阳航空航天大学,2018.

[2] 杨红斌.不同热处理条件下TC21钛合金的力学行为及绝热剪切敏感性研究[D].云南师范大学,2017.

[3] 李刚.热等静压Ti-6Al-4V材料的表面加热辅助超声复合滚压强化机理研究[D].华南理工大学,2017.

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