【正文】 （ 3）強烈的氣體飽和 （ 4）合金元素從表面或者沿界面蒸發(fā) （ 5）零件或半成品產(chǎn)生歪曲 （ 6）由于熱應力和相應力產(chǎn)生裂紋 缺陷的防治： 前 5 種通過合理制定和嚴格控制熱處理制度來防治； 第 6 種缺陷的防治方法是 : （ 1）降低淬火溫度；（ 2）提高時效溫度；（ 3）采用等溫淬火；（ 4）在低溫時效前引入預高溫時效。 六、 鈦合金組織與性能 1. 鈦合金相組成 鈦合金的組織中有兩個基本的相組成物，即以α鈦為基的α固溶體和以β鈦為基的β固溶體。 α 相和 β 相本身 的性能以及在合金中的形態(tài)、大小、分布和所占的比例決定著合金的性能。 合金塑性受到滑移系統(tǒng)多少的影響。β相滑移系統(tǒng)較多，更容易承受壓力加工變形。 α、β兩種固溶體本身的硬度、強度與其成分有關。在兩相共存的組織中，α穩(wěn)定元素總是優(yōu)先分布在α相中，而β穩(wěn)定元素主要溶入β相內(nèi)。兩相的性能決定于溶入元素的種類和數(shù)量。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 22 由于β相的晶格致密度比α相小，原子在β相中的擴散系數(shù)比α相大，所以其耐熱性、熱穩(wěn)定性和抗蠕變性能均沒有α相好。 2. 鈦合金組織類型 鈦合金非淬火組織按其形態(tài)可分為魏氏組織、網(wǎng)籃組織、等軸組織和雙態(tài)組織 。 A. 魏氏體組織 形成途徑：在β相區(qū)進行熱加工或者在β相區(qū)退火。 主要特征：具有粗大等軸的原始β晶粒。 魏氏組織優(yōu)點：斷裂韌性高；在較快冷卻狀態(tài)下其蠕變抗力和持久強度較高。另外，魏氏體組織是β相區(qū)熱加工的產(chǎn)物，在β相區(qū)壓力加工時，變形抗力小，容易加工變形。 魏氏組織缺點：塑性低，尤其是斷面收縮率低于其它類型的組織。 B. 網(wǎng)籃組織 鈦合金在（α＋β） /β 相變點附近變形，或在 β 相區(qū)開始變形，但在（ α＋ β）相區(qū)終止變形，變形量為 5080％時，使原始 β 晶粒及晶界 α 破碎，冷卻后 α 叢的尺寸減小， α 條變短，且各叢交 錯排列，猶如編織網(wǎng)籃的形狀，稱為網(wǎng)籃組織。 網(wǎng)籃組織的塑性及疲勞性能高于魏氏組織，其塑性、蠕變抗力及高溫持久等綜合性能較好，但斷裂韌性低于魏氏組織。在實際應用中，對于高溫長期受力部件，往往采用網(wǎng)籃組織材料制備： 鈦合金熱處理綜述 23 代替魏氏組織。 C. 等軸組織 鈦合金在α＋β相區(qū)熱加工時，由于溫度較高，在變形過程中， α 相和 β 相繼發(fā)生了再結晶，獲得了完全等軸的 α＋ β。若變形溫度低，再結晶不發(fā)生或部分發(fā)生，隨后進行再結晶退火，亦可得到等軸組織。等軸程度的大小與變形程度、加熱溫度和保溫時間有關?？偟内厔菔牵S此三者的增加，等軸化程度增加。 D. 雙態(tài)組 織 雙態(tài)組織是指組織中α有兩種形態(tài)，即一種是等軸狀的初生α，另一種是β轉變組織中的片狀α（次生片狀α）。兩相鈦合金在兩相區(qū)上部溫度變形，或者在兩相區(qū)變形后，再加熱到兩相區(qū)上部溫度而后冷卻，可得雙態(tài)組織。 雙態(tài)組織和等軸組織的性能特征大致相同，僅隨所含初生α數(shù)量不同而有一定差異。這兩種組織的性能特點與魏氏組織相反，具有較高的疲勞強度和塑性。 3. 鈦合金的熱處理與組織、性能的關系 A. 常規(guī)拉伸性能 等軸組織的強度和塑性均較高，而魏氏體組織的室溫塑性較低。網(wǎng)籃組織的性能介于等材料制備： 鈦合金熱處理綜述 24 軸組織和魏氏體組織之間，具有良好的綜合 性能。 B. 疲勞性能 鈦合金的疲勞性能對組織及表面狀態(tài)十分敏感。等軸α組織的疲勞性能比魏氏體組織好，網(wǎng)籃組織介于前兩者之間。 α+β相區(qū)固溶時效處理可提高合金的疲勞極限，但當截面尺寸增大時，由于淬不透，提高疲勞極限的效果減弱。 從β相區(qū)空冷再時效所得粗針α +β組織的疲勞壽命最低。 在等軸α組織中初生α相的數(shù)量和大小對疲勞強度影響最大。 鈦合金中等軸的初生α的含量增加時，合金的疲勞性能提高。等軸α含量多時，合金的疲勞性能好，但斷裂韌性差，蠕變抗力低，持久強度低。等軸α含量太少時，斷裂韌性和高溫性能增高，但是室溫性能下降。 C. 斷裂韌性 在β相區(qū)加工變形或退火后的鈦合金屈服強度增加時，斷裂韌性下降。這是由于屈服強度增加時，裂紋尖端塑性區(qū)的尺寸減小，被塑性變形或微孔聚集吸收的應變能降低所致。 魏氏體組織的斷裂韌性 K1c 高于等軸組織，雙態(tài)組織則介于兩者之間。在等軸組織中初生的α的數(shù)量及大小對 K1c 有影響。隨著初生α相數(shù)量的減少， K1c 值增大。雙態(tài) 組織 K1c 高于等軸組織，而接近魏氏體組織水平。 在魏氏體組織中反映斷裂特征的裂紋擴散途徑曲折，增加了裂紋總長度，所以消耗更多的能量。又因為裂紋分叉多，分散了裂紋尖端的應力場，在破壞過程中吸收的能量大，故魏氏體組織的斷裂韌性大，裂紋擴散速率小。等軸組織的裂紋擴散途徑平直，分枝少，在破壞材料制備： 鈦合金熱處理綜述 25 過程中吸收的能量少，故斷裂韌性低，裂紋擴散速率大。網(wǎng)籃組織的斷裂韌性介于魏氏體組織與等軸組織之間。因網(wǎng)籃組織既沒有魏氏體組織塑性低的缺點，也沒有等軸組織斷裂韌性低、裂紋擴散速率大的缺點，所以其綜合性能較好。 D. 應力腐蝕斷裂 鈦 合金在腐蝕介質中受力時，其裂紋擴散速率大大加快，斷裂韌性顯著降低。在腐蝕介質中的斷裂韌性用 K1SCC 表示，即應力腐蝕抗力。 當穩(wěn)定α的元素鋁、錫、氧的含量增加時，應力腐蝕抗力下降。 在兩相鈦合金中，α相對應力腐蝕敏感，而β相不敏感。增加同晶型β穩(wěn)定元素后，提高了β相的相對量，對于抗應力腐蝕是有益的，因為β相塑性較好，有阻礙裂紋擴散的作用。但當β相中沉淀出第二相時，塑性下降，應力腐蝕抗力降低。 合金中含有共析型β元素銅、硅、鐵（特別是快共析元素銅、硅）時，應力腐蝕的敏感性增加，這是由于這些元素能析出 Ti2Cu、 Ti5Si3 等脆性相，使裂紋形核敏感性提高的緣故。 七、 鈦 的表面熱處理 鈦 具有比強度高、耐蝕性好的優(yōu)點 。 但是 ， 鈦不 像 鋼那樣具有表面淬火硬化性，而且耐磨性很差 。 ， 極大 地限制了鈦合金的應用場合 ， 為了讓其具有更廣闊的應用空姐，需要 通過特殊方法對鈦表面進行處理提高硬度和耐磨性。 1. 滲 無機元素表面熱處理 碳 、氮、 氧 等元素易與金屬形成金屬的 碳化物 、氮化物 和 氧化物等新相。 可以 通過元素碳 、材料制備： 鈦合金熱處理綜述 26 氮、 氧、 硼對 鈦 及合金反應而形成 堅硬 的表面和擴散層。同時 ， 滲入元素還能和鈦 基體 形成固溶體 （ 混合晶 ） ， 硬度將超過基體。 A. 滲碳 現(xiàn)在 較為 高 效 的滲碳方法為等離子 碳化 。 采用 Ar 氣體產(chǎn)生的等離子體清洗鈦表面，用CH4 進行滲 C，溫度為 1073～ 1323K，所得硬度層成分主要是 TiC，厚度為數(shù)μ m。其工藝過程是 :在絕緣油中，工具電極與鈦零件之間發(fā)生火花放電，由于油的熱分解生成了 C，生成的 C 滲入熔融狀的鈦表面，形成了滲 C 層。經(jīng)過放電加工的鈦表面呈魚鱗狀，硬化層的成分為 TiC，厚度為 5μm 左右，硬度可達到 104MPa 左右，是基體鈦材 (2022MPa)的11 倍。 B. 滲 氮 氮化方法可在鈦材表面形成一層鈦的氮化物的硬化層，主要有離子氮化、氣體氮化、高壓 氣體氮化和等離子氮化等。 高壓 氮化主要過程是： 在 ～ 10MPa 的氣體壓強下，鈦表面用 N2， NH3 或它們的混合氣體氮化處理后隨爐冷卻，當壓力降至 時，再抽真空至 1Pa，進行 300～ 400℃材料制備： 鈦合金熱處理綜述 27 回火處理，這樣純 Ti 表面可以得到厚度為 20μm 的金黃色 TiN 層，表面硬度可達 10000MPa。 C. 滲 硼 鈦的硼化物是一種硬度高 、導熱性好的陶瓷材料 ,進行滲硼處理使鈦的表面形成硼化物是改善鈦的耐磨性的一種非常有效的手段。到目前為止 ,對于鈦的滲硼處理 , 已試驗了固體法、鹽浴浸漬法 、膏劑法 、鹽浴電解法等 。 三種 滲硼方法的主要區(qū)別在與介質不同，固體法 使用 的是 非晶態(tài)硼、氟硼酸胺和氟硼酸鉀等活化劑粉末； 鹽浴浸漬法介質為 硼酸、硼酸鉀； 膏劑法的介質主要為 B4C、 Na2B4O NaBF4 、NaCl、 NH4Cl 和酒精 調成的膏劑。 2. 滲 金屬元素表面熱處理 除了 鈦表面滲非金屬元素， 一些 金屬元素也可以通過熱擴散滲的 方法 與 Ti 形成具有 較高硬度的 新 固溶體。其中 最具 代表性的是 TiNi 二元體系表面淬火。 在 等原子比的 TiNI 合金沒有淬火硬化特性，而富鎳的 TINI 合金卻具有明顯的淬火硬化性。 在 900℃下鎳在 βTi 的擴散系數(shù)比鈦在鎳中 的擴散系數(shù)大約 4000 倍 ，且在鈦表面能形成較厚的 TiNi 層 。 富 Ni 相在 固溶 線 上部穩(wěn)定（ 高于 800℃） 下 ，過剩的 Ni 全部固溶到 TiNi 相中，形成置換型結構缺陷，通過快速冷卻把 它們 保留到室溫，就呈現(xiàn)出淬火硬化效應。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 28 據(jù)此 ，可以通過熱擴散的方式，在 Ti 表面滲 Ni 形成 的 表面硬度可達 HRc50 以上 。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 29 參考文獻 [1]張翥 ,王群驕 ,莫畏 .鈦的金屬學和熱處理 [M].北京 :冶金工業(yè)出版社 ,2022. [2]孫榮祿 ,郭立新 ,董尚利 ,楊德莊 . 鈦及鈦合金表面耐磨熱處理 [J]. 宇航材料工藝 ,1999,05:1519. [3]千東范 . 鈦的表面淬火硬化 [J]. 稀有金屬 ,1984,02:712. [4]李爭顯 ,王少鵬 ,慕偉意 ,潘曉龍 ,姬壽長 ,王寶云 ,杜繼紅 ,周廉 . 鈦表面處理技術的研究現(xiàn)狀 [J]. 中國材料進展 ,2022,08:5460.