【正文】 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 。 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 。其中 最具 代表性的是 TiNi 二元體系表面淬火。 三種 滲硼方法的主要區(qū)別在與介質(zhì)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(zhì)為 硼酸、硼酸鉀； 膏劑法的介質(zhì)主要為 B4C、 Na2B4O NaBF4 、NaCl、 NH4Cl 和酒精 調(diào)成的膏劑。 C. 滲 硼 鈦的硼化物是一種硬度高 、導(dǎo)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。 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。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。 A. 滲碳 現(xiàn)在 較為 高 效 的滲碳方法為等離子 碳化 。 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(yīng)而形成 堅硬 的表面和擴散層。 ， 極大 地限制了鈦合金的應(yīng)用場合 ， 為了讓其具有更廣闊的應(yīng)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。 七、 鈦 的表面熱處理 鈦 具有比強度高、耐蝕性好的優(yōu)點 。但當(dāng)β相中沉淀出第二相時，塑性下降，應(yīng)力腐蝕抗力降低。 在兩相鈦合金中，α相對應(yīng)力腐蝕敏感，而β相不敏感。在腐蝕介質(zhì)中的斷裂韌性用 K1SCC 表示，即應(yīng)力腐蝕抗力。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。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。 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。隨著初生α相數(shù)量的減少， K1c 值增大。 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。 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。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。 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。 α+β相區(qū)固溶時效處理可提高合金的疲勞極限，但當(dāng)截面尺寸增大時，由于淬不透，提高疲勞極限的效果減弱。 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。 3. 鈦合金的熱處理與組織、性能的關(guān)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。 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。 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(zhuǎn)變組織中的片狀α（次生片狀α）。等軸程度的大小與變形程度、加熱溫度和保溫時間有關(guān)。 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(jié)晶，獲得了完全等軸的 α＋ β。 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。 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。 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。 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。 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。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)。β相滑移系統(tǒng)較多，更容易承受壓力加工變形。 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。 五、 熱處理缺陷和防治 由于熱處理鈦合金產(chǎn)生的典型缺陷包括以下幾種： （ 1）產(chǎn)生粗大晶粒 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 21 （ 2）合金力學(xué)性能和使用性能偏離已定的技術(shù)條件 （ 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(yīng)力和相應(yīng)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(yù)高溫時效。 7. 化學(xué)熱處理 在化學(xué)熱處理中以滲氮和滲氧應(yīng)用較為廣泛。 6. 形變熱處理（熱機械處理） 根據(jù)變形溫度的不同，形變熱處理分為高溫形變熱處理、低溫形變熱處理、預(yù)形變熱處材料制備： 鈦合金熱處理綜述 20 理和復(fù)合形變熱處理。 C. 固溶 時效處理 鈦合金的固溶 時效 處理是一個組合式工藝，該工藝第一步進行固溶處理，第二部進行時效處理，并按串聯(lián)方式進行。 另外，時效前的冷加工和低溫預(yù)時效都加速了亞穩(wěn)定β相的分解速度，并使α相彌散度增加。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 19 為了使鈦合金在使用溫度下有較好的熱穩(wěn)定性，往往采用使用溫度以上的時效溫度。力學(xué)性能可以用室溫 抗拉性能（或硬度 ） 等來表示；時效溫度和時間的選擇應(yīng)以獲得最佳的綜合性能為準(zhǔn)。若合金有共析反應(yīng)，則最終產(chǎn)物為 α＋ TixMy,即 ： ?????????? ?????????????/或 α＋ TixMy 在脫溶分解的某一階段，合金組織可以獲得彌散的α +β相，使合金顯著強化。 不同的亞穩(wěn)定相分解過程不同，同一亞穩(wěn)定相因合金成分和時效規(guī)程不同分解過程也不同。 鈦合金固溶得到的 α/、 α//、 ω 和β /都是亞穩(wěn)相， 加熱 （時效） 時要發(fā)生分解， 析出新相，發(fā)生的分解過程稱為脫溶轉(zhuǎn)變。 B. 時效處理 時效處理就是將鈦合金工件淬火后再加熱至適當(dāng)?shù)臏囟缺夭⒗鋮s的工藝。含β穩(wěn)定元素的鈦合金淬火時，其淬火組織與合金成分如淬火合金的亞穩(wěn)定相圖所示。當(dāng)冷卻材料制備： 鈦合金熱處理綜述 18 速度變化時其獲得的組織形態(tài)也不同。為了達到快速冷卻，必須采用淬火方式，故也稱為淬火。同時有幾種β穩(wěn)定元素存在時綜合強化效果大于單一元素的強化效果。當(dāng)β穩(wěn)定元素含量進一步增大，時效析出的 α量減少，強化效果反而下降。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 17 合金中β穩(wěn)定元素含量越多，淬火獲得亞穩(wěn)定β的數(shù)量越多，時效后強化效果越大。 合金強化效果取決于亞穩(wěn)相的類型、數(shù)量、成分和時效后所形成 α 或 β 相質(zhì)點的彌散度。但由 于其組織中β相數(shù)量較少，因此馬氏體分解彌散強化效果低于α +β型鈦合金及亞穩(wěn)β型鈦合金。 鈦合金強化熱處理主要用于α +β型鈦合金及亞穩(wěn)β型鈦合金。 5. 固溶與時效處理（強化熱處理） 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 16 固溶和時效處理是對鈦及鈦合金熱處理強化的主要手段，由固溶處理和時效處理兩種工藝組合而成。為防止真空退火完畢的鈦材表面氧化，應(yīng)在真空退火冷卻至 250~350176。 常采用的真空退火溫度為 600~850176。首先，可以防止在進一步退火時鈦材的氧化，同時使鈦合 金表面層的含氫量降低到安全濃度，消除產(chǎn)生氫脆的可能性。 雙重退火與等溫退火的區(qū)別在于，雙重退火后的第一階段，合金在空氣中冷卻到室溫，之后將合金再重新加熱到第二階段的溫度（此溫度低于第一階段的溫度）。C（高于使用溫度）保溫并空冷。第一次加熱到低于 (α+β)/β轉(zhuǎn)變點 20~160176。故等溫退火適用于含β鈦較高的α +β型鈦合金。C的較高溫度范圍，然后轉(zhuǎn)入另一爐中爐冷到β相具有高穩(wěn)定性的溫度范圍（此溫度一般低于再結(jié)晶溫度）內(nèi)保溫，隨后在空氣中冷卻。 F. 等溫退火和雙重退火 等溫退火和雙重退火僅適用于α +β型鈦合金。C。完全退火后，鈦及鈦合金內(nèi)部組織和性能均勻，完全軟化，并具有組織穩(wěn)定性，以及合適的塑性和韌性，獲得再結(jié)晶組織，故又稱之為再結(jié)晶退火。這種退火方式是冶金產(chǎn)品出廠時常用的一種。消除內(nèi)應(yīng)力退火的冷卻方式一般采用空冷，有時也可采用爐冷。此時鈦內(nèi)材料制備： 鈦合金熱處理綜述 14 部組織一般情況下發(fā)生回復(fù)，鈦晶粒形狀和大小回復(fù)到原有狀態(tài)，“加工硬化 ”消失，變成軟化態(tài)，使冷變形的亞穩(wěn)態(tài)回到穩(wěn)定態(tài)。C。 退火溫度不宜過高，一般在再結(jié)晶溫度以下 50~200176。 C. 去應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火又稱 不完全退火。一般地，加熱溫度和保溫時間越長，越有利于晶粒的生成，容易獲得鈦材粗晶粒組織。當(dāng)形變程度大的鈦組織釋放出能供給形核所需能量時，利于成核，且增加成核數(shù)量，也利于再結(jié)晶粒度變小。 ② 鈦材的變形程度。一般情況下，鈦及鈦合金中所含合金成分和雜質(zhì)含量越高，越容易獲得再結(jié)晶細小晶粒。為了達到理想的晶粒，過程中應(yīng)增加成核數(shù)量和抑制晶粒長大，使再結(jié)晶晶粒向細小而均勻的方向發(fā)展。此時晶格類型沒有變化，但力學(xué)性能發(fā)生了變化。一般希望再結(jié)晶后獲得晶粒細小而材料制備： 鈦合金熱處理綜述 13 均勻的結(jié)構(gòu)。 B. 再結(jié)晶 冷變形加工后鈦材經(jīng)過加熱到一定溫度時，在原來變形的組織中產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能發(fā)