摘要:真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無污染、表面質(zhì)量好、變形微小等突出特點,是當前國際熱處理技術(shù)發(fā)展的熱點。真空固溶處理、真空時效、真空退火是鈦合金幾種典型的熱處理工藝。本文描述了立式真空水淬爐的研究內(nèi)容及應(yīng)用前景,介紹了立式真空水淬爐的結(jié)構(gòu)及工藝特點,闡明該技術(shù)重要特征之一是鈦合金零件真空加熱后最長水淬火延遲時間小于6秒;特征之二是熾熱的工件進入水槽后產(chǎn)生大量水蒸汽對加熱室無影響,對真空系統(tǒng)及泵組無污染;特征之三實現(xiàn)鈦合金零件及其它材料真空加熱下水淬火的光亮固溶處理工藝,并指出立式真空水淬是未來鈦合金真空熱處理的主要發(fā)展方向之一。
關(guān)鍵詞:真空熱處理;立式真空水淬爐;淬火轉(zhuǎn)移時間短;無污染;光亮固溶處理
立式真空水淬爐是源于鈦合金材料在航天航空領(lǐng)域大量使用而研發(fā)制造的,主要針對α+β型鈦合金材料真空加熱之后快速淬火(固溶處理)的一種新型高端熱處理設(shè)備。眾所周知,鈦的密度為4.51g/cm3,鈦合金很輕,如Ti-6Al-4V的密度僅為4.42 g/cm3,鈦合金材料經(jīng)固溶處理再時效強化后的比強度遠高于高強度鋁合金、鎂合金、高溫合金和高強度結(jié)構(gòu)鋼,甚至與超高強度鋼相當,因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、船舶、生物醫(yī)用、化工、汽車等領(lǐng)域。如美國F-22戰(zhàn)機上鈦合金的用量已高達41%,而鋁合金和鋼的用量分別只有15%和5%。
真空油淬、真空高壓氣淬是材料熱處理的主要方式之一,真空油淬嚴重影響鈦合金質(zhì)量,高壓氣淬冷卻速度不能滿足鈦合金固溶處理的要求,真空水淬是唯一賦予鈦合金固溶強化的關(guān)鍵技術(shù)。立式真空水淬冷卻速度快、固溶強化效果好,已成為業(yè)界競相研究開發(fā)的熱點。
中國是一個鈦工業(yè)大國,鈦的加工量已經(jīng)達到3萬噸/年,目前鈦合金應(yīng)用不再局限于宇航業(yè)及軍工業(yè)大量使用,而是逐漸趨于民用化、國際化,依據(jù)鈦合金發(fā)展趨勢,與之配套的生產(chǎn)設(shè)備制造技術(shù)也必須得以相應(yīng)發(fā)展。鑒于這一發(fā)展要求,湖南頂立科技股份有限公司開發(fā)了VVWQ系列立式真空水淬爐設(shè)備技術(shù),專門用于鈦合金材料真空熱處理。設(shè)備除具備高真空加熱,水介質(zhì)中淬火固溶外,還精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉(zhuǎn)移時間,最大限度地減少零件的熱處理畸變,經(jīng)真空熱處理后鈦合金工件表面光亮,該設(shè)備技術(shù)為α+β型鈦合金材料所制造的結(jié)構(gòu)零件完成在水介質(zhì)中固溶處理工藝提供了最佳的解決方案和手段,為鈦合金材料熱處理強化技術(shù)提供了不可多得的設(shè)備保障。
1 鈦合金的熱處理強化
1.1 鈦合金的分類
鈦合金可分為三類,鈦合金分類的三維相圖是較為明顯的示意圖,見圖1所示。
圖1 鈦合金分類的三維示意相圖
α鈦合金,包括工業(yè)純鈦,TA5(Ti-4Al-0.005B)、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)等,該類合金不能通過熱處理強化,只能退火,組織穩(wěn)定,常溫強度不高。
近α鈦合金,該合金含有少量的β穩(wěn)定元素(2%),組織中含有7%-15%的β相,如材料牌號:TC1(Ti-2Al-1.5Mn)、 TC2(Ti-4Al-1.5Mn),該類材料對熱處理制度不敏感。
α+β鈦合金,又稱馬氏體α+β型鈦合金,含有15%-40% β相,典型代表材料TC4(Ti-6Al-4V)、熱強鈦合金TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)、制造緊固件的典型代表材料TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)等,它們可以通過熱處理強化,即:固溶處理+時效(彌散強化)。
亞穩(wěn)定β型鈦合金,材料含有臨界濃度的β穩(wěn)定元素。該類合金經(jīng)退火后具有良好的加工性,可以熱處理強化,經(jīng)淬火+時效處理后可以達到很高的強度,并且亞穩(wěn)定β型鈦合金在室溫強度、斷裂韌性和淬透性優(yōu)于α+β鈦合金,典型代表材料牌號TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)、TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)和TB8(Ti-15Mo -3Al-2.7Nb-0.2Si),TB8(β21s)鈦合金為高強度鈦合金,高溫性能良好,具有優(yōu)良的冷軋和冷成型性,是公認的用于飛機上高強度彈簧材料。
穩(wěn)定β型鈦合金,β穩(wěn)定元素的含量超過一定數(shù)值后β轉(zhuǎn)變溫度就會降到室溫以下,金相組織為單相β組織,代表牌號美國Alloy C(Ti-35V-15Cr)
1.2 鈦合金冷卻過程的相變
鈦合金被裝入真空爐加熱后,精確控制鈦合金零件冷卻的相變過程,從而得到不同的組織結(jié)構(gòu)。熱處理強化的基礎(chǔ)是鈦合金加熱及冷卻產(chǎn)生相變,鈦合金自高溫快速冷卻時,發(fā)生馬氏體相變,β相可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(六方馬氏體α'或斜方馬氏體α'')、ω相或過冷β相(即β')。以Ti-5Cr-3Al鈦合金為例[5],闡明亞穩(wěn)定β相等溫轉(zhuǎn)變過程,如圖2所示。
圖2 鈦合金Ti-5Cr-3Al的時間-溫度-轉(zhuǎn)變相圖
從圖2中可以看出,冷卻時β相發(fā)生轉(zhuǎn)變,如果工藝過程要得到馬氏體相變,只有加大冷卻速度:當合金從固溶溫度快速冷卻(水中淬火),β相→α'(hcp,馬氏體);當冷卻速度較慢時(油中冷卻),部分β相→ω相(三角結(jié)構(gòu));當冷卻速度更低時(加壓充氣冷卻),β相→α'+ω;當冷卻速度非常低時(空氣冷卻),β相→α+β;在520 ℃~720 ℃范圍內(nèi),當冷卻速度非常緩慢(或在共析溫度以下長時間等溫加熱),發(fā)生共析分解β相→α+TiCr2(化合物),即α相在原始的β相界形核并長大。
因此,實現(xiàn)鈦合金材料的熱處理強化,淬火是鈦合金熱處理強化的必要前提,淬火過程的冷卻速度起決定因素。
1.3 鈦合金熱處理強化特點
鈦合金在加熱和冷卻過程中會發(fā)生相變,對于不同合金體系可以通過控制其各自的相變過程,從而得到不同的組織結(jié)構(gòu)。通過不同介質(zhì)的鈦合金冷卻試驗,可以發(fā)現(xiàn)鈦合金熱處理強化特點主要表現(xiàn)為:
(1)淬火過程應(yīng)盡量避免形成ω相,ω相會使材料變脆,當然,采用高溫時效可使ω相分解;
(2)反復(fù)熱處理相變不能細化鈦合金晶粒,這點不同于鋼鐵材料;
(3)α+β型鈦合金熱處理淬火后淬透性不高,淬火熱應(yīng)力大,很易引起長桿狀零件變形,因此長桿狀工件只能豎向裝入爐內(nèi)加熱,并縱向進入淬火介質(zhì)內(nèi),基于工件減少變形研發(fā)的立式真空淬火爐為鈦合金熱處理過程適當?shù)販p少淬火變形提供了條件;
(4)馬氏體相變不能使鈦合金得到強化,只能通過淬火時形成的穩(wěn)定相(包括馬氏體相)的時效分解,即彌散強化。熱處理強化對α鈦合金是無效的,熱處理強化主要用于α+β型鈦合金和β型鈦合金。
2 加熱/冷卻方式對鈦合金熱處理強化的影響
2.1 鈦合金強化的熱處理工藝
鈦合金熱處理強化工藝如圖3所示。鈦合金固溶處理溫度越高,經(jīng)時效后彌散強化效果越明顯,但是如果溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度(即相變點)淬火,因α相消失,β相晶界移動加快,會引起晶粒過分粗大而導(dǎo)致脆性。實際證明,固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點30 ℃~110 ℃合理選擇,對于合金元素較低的α+β型鈦合金選用較高溫度淬火,以便得到更多的馬氏體相。合金元素較高的α+β型鈦合金選用較低溫度淬火,以便得到較多的亞穩(wěn)β相,經(jīng)時效后強化效果更明顯。此外,保溫時間延長對鈦合金組織影響不敏感。
圖3鈦合金熱處理工藝示意圖
1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時效
2.2 真空加熱環(huán)境對鈦合金熱處理的影響
Ti是一種化學活性很高的金屬,在高溫下Ti很容易與C、N、O、H等發(fā)生強烈反應(yīng),并對鈦合金材料本身性能帶來不利影響,例如鈦合金與O反應(yīng)使材料表面形成富氧層,使之性能下降;鈦合金加熱時容易吸H,引起氫脆。
真空狀態(tài)下加熱是最理想的“氣氛”,見表1。
表1數(shù)據(jù)說明,真空狀態(tài)下加熱實質(zhì)上是在非常稀薄的氣氛下加熱,當熱場真空達到10-3 Pa時,可以實現(xiàn)鈦合金的光亮處理。
本文所論述的真空水淬爐采用無碳元素的金屬屏熱場,輔以高真空加熱友好環(huán)境,爐膽的加熱元件為鉬鑭合金帶,隔熱屏是由鉬屏+不銹鋼屏組成復(fù)合隔熱屏,對鈦合金而言是一個清潔的加熱場;真空系統(tǒng)配置了三級泵組,即:機械泵+羅茨泵+擴散泵,可以得到相當雜質(zhì)含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環(huán)境,為鈦合金光亮、無氧化熱處理強化提供安全保障。
2.3 熱場爐溫均勻性對鈦合金熱處理的影響
鈦合金導(dǎo)熱性差,導(dǎo)熱系數(shù)只有鐵的1/5,如果熱場爐溫均勻性不夠,很容易造成零件局部溫度過高,致使局部過熱,超過β轉(zhuǎn)變點形成魏氏組織。
立式真空水淬爐選用950℃進行爐溫均勻性測試,9點測溫,設(shè)備熱場測試結(jié)果見圖4。型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐熱場有效區(qū)內(nèi)爐溫均勻性達到了≤±3 ℃。
圖4 立式真空水淬爐爐溫均勻性測試示意圖
2.4 冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶過程的影響
真空熱處理技術(shù)是根據(jù)組織性能要求和構(gòu)件材料的相變規(guī)律,選擇適合的冷卻介質(zhì),使得真空加熱的材料和構(gòu)件在真空環(huán)境下按照要求的冷卻速度冷卻至出爐溫度。真空熱處理常用冷卻介質(zhì)包括:真空淬火油、非含氧氣體以及水,選擇不同的冷卻介質(zhì)具有不同的冷卻速率,如圖5所示。
圖5 鈦合金固溶處理冷卻方式圖
真空油淬冷卻利用的冷卻介質(zhì)為真空淬火油,該技術(shù)可以替代鹽浴、氣氛保護熱處理,在獲得理想的心部組織和力學性能的同時,保證表面的光潔,特別適用于中、高合金鋼的淬火[7]。目前,真空油淬技術(shù)在我國熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛,通過長期的設(shè)備、工藝、淬火油品質(zhì)的改進,真空油淬技術(shù)較為成熟。但是,由于其冷卻速率較慢(低于水淬),在鈦合金熱處理過程中如果控制不得當,容易形成脆性ω相;另一方面,鈦合金工件高溫加熱入油后,在工件表面與油蒸汽接觸反應(yīng)瞬間形成增碳,不利于鈦合金性能的提高,因此不太適用于鈦合金的真空熱處理。
真空氣淬冷卻利用的非含氧型氣體作為冷卻介質(zhì),其特點是在一定范圍內(nèi),隨著爐內(nèi)氣體壓力的提高,冷卻速度可以隨之提高。真空氣淬常用的冷卻氣體是:N2、H2、He和Ar,它們的導(dǎo)熱能力有很大差別,H2的冷卻能力最強,He次之,N2第三,Ar最次。使用40bar H2超高壓氣淬,其冷卻速度可以接近水淬速度,但H2使用較為危險,同時鈦合金高溫時容易吸H,引起氫脆,因此不能作為鈦合金真空熱處理的冷卻介質(zhì);使用20bar He超高壓氣淬,其冷卻速率介于油和水之間,可以取代真空油淬,但He和Ar價格太高,淬火后還需考慮回收,熱處理成本過高而不能作為鈦合金真空熱處理的主要冷卻介質(zhì);N2廉價、安全,但是冷卻能力較差,且高溫下與Ti發(fā)生強烈反應(yīng),降低鈦合金材料性能。該技術(shù)也不適用于鈦合金固溶強化處理。
真空水淬技術(shù)用水作為淬火介質(zhì),特別適用于鈦合金工件的固溶處理。真空水淬的工件在真空條件下完成無氧化加熱之后,迅速轉(zhuǎn)移至淬火水槽,得到所需的固溶組織。目前國際上發(fā)達國家正在研究鈦合金真空水淬的新工藝與新裝備,試圖降低鈦合金真空熱處理生產(chǎn)成本,改善性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量。
中國某公司使用型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐對鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質(zhì)的冷卻實驗,結(jié)果如圖6所示。
圖6 鈦合金固溶處理金相照片(a) 水冷; (b) 油冷; (c)空冷
綜上所述,選擇不同的冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶處理的組織結(jié)構(gòu)影響較大,只有淬火介質(zhì)選擇水,快速冷卻才會得到理想的馬氏體相變,淬火冷卻速度決定固溶質(zhì)量,對鈦合金彌散強化起至關(guān)重要的作用。
3 真空水淬爐研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
3.1 臥式真空水淬爐的局限
目前,鈦合金真空水淬主要采用傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐。傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐由臥式真空油淬爐演變而來,不同之處在于淬火介質(zhì)由油改成了水,這樣帶來了諸多缺點:
1、工件轉(zhuǎn)移時間長(大于10s,如圖7所示);
2、污染加熱室;
3、真空泵油乳化,污染環(huán)境;
4、需氬氣洗爐,運行成本高。
圖7 臥式真空水淬爐工件轉(zhuǎn)移過程軌跡示意圖
鑒于此,頂立科技開發(fā)了新一代VVWQ系列立式真空水淬爐設(shè)備,專門用于鈦合金材料的真空熱處理。該設(shè)備除了具有高真空加熱,水介質(zhì)中淬火固溶外,還能夠精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉(zhuǎn)移時間,最大限度地減少零件的熱處理畸變,經(jīng)真空熱處理后鈦合金工件表面光亮,為鈦合金材料熱處理強化技術(shù)提供了設(shè)備保障。
3.2 立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)及特點
立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)示意圖,如圖8所示:
圖8 立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下:
最高溫度:1 350 ℃;工作范圍:550℃ ~ 1 250 ℃;溫度均勻性:≤±3 ℃;加熱室真空度:≤5×10-3 Pa;加熱室壓升率:≤0.5 Pa/h;淬火室真空度:≤10 Pa;淬火室壓升率:≤0.5 Pa/h;淬火延遲時間:≤6 s;淬火介質(zhì)溫度:10-15 ℃。
3.2.1 加熱室結(jié)構(gòu)及特征
熱室爐殼由雙層鋼板卷筒焊接而成,夾層內(nèi)通冷卻水構(gòu)成冷壁,因此設(shè)備對周邊環(huán)境無任何污染和溫度輻射影響。熱室上裝有向熱場輸入電能的水冷電極接口、引入控溫熱電偶接口、爐溫均勻性測量接口,以及真空系統(tǒng)接口、分壓充氣管路接口、真空規(guī)管座接口和放氣閥等接口。熱場由3層鉬屏和3層不銹鋼屏組成隔熱屏,加熱帶由鉬鑭合金板制成并連接到水冷電極,通過水冷電極引入低電壓大電流的電能,熱場承載框架由不銹鋼金屬板構(gòu)成,使用鉬桿將鉬屏及不銹鋼屏固定在爐膽金屬板上,因此爐膽本身是一個整體式結(jié)構(gòu)。鉬鑭合金加熱帶被均勻布置在爐膽內(nèi)部的四周,模塊化設(shè)計,更換方便。加熱室配置“S”型雙芯熱電偶,1支控制、另1支記錄和保障安全,熱電偶補償導(dǎo)線接通帶有積分比例帶和數(shù)字顯示功能的歐陸2604控溫儀表,通過可控硅調(diào)壓器調(diào)整變壓器一側(cè)電壓進而完成對熱場溫度精確控制,加熱室真空管道連接到由滑閥泵、羅茨泵、擴散泵三級泵組組成的高真空系統(tǒng),可使熱場真空度達10-3 Pa級,本加熱室全部為金屬屏組成,對鈦合金而言是一個無碳元素的清潔、理想的熱場。
3.2.2 淬火室結(jié)構(gòu)及特征
淬火室是一個圓筒型特殊結(jié)構(gòu),內(nèi)裝淬火水介質(zhì),配有一套用于橫向轉(zhuǎn)移的機械傳動系統(tǒng),實現(xiàn)淬火室三個工位運轉(zhuǎn),運轉(zhuǎn)工位最重要一個是與加熱室的對接工位,只有完成雙室對接,才可完成水介質(zhì)中淬火。淬火室內(nèi)部裝有1套升降機運載系統(tǒng),用于被處理的鈦合金工件送到加熱室,當完成固溶加熱后,升降機將鈦合金工件從加熱室熱場快速轉(zhuǎn)移到淬火水槽內(nèi),完成固溶淬火處理,轉(zhuǎn)移時間小于6 s。淬火室配有1套獨立的真空系統(tǒng),目的是確保鈦合金工件在加熱室轉(zhuǎn)移到淬火室的過程中不被氧化,淬火水槽內(nèi)配置水溫傳感器、加熱器、制冷系統(tǒng)、水位傳感器及1套水攪拌系統(tǒng),以便實現(xiàn)對淬火介質(zhì)溫度的精確控制,水攪拌系統(tǒng)對淬火介質(zhì)強烈攪拌以便提升冷卻效果,給予鈦合金工件更均勻的冷卻。
3.2.3 立式真空水淬爐優(yōu)勢
鈦合金工件加熱、保溫結(jié)束后,由加熱室進入水介質(zhì),直至工件全部浸沒,完成固溶處理的整個轉(zhuǎn)移過程所耗費的時間為淬火延遲時間。淬火延遲時間理論上越小越好,否則隨著延遲時間的增加,鈦合金工件表面的溫度下降,對鈦合金材料發(fā)生馬氏體相變及顯微組織十分不利,進而影響性能。尤其對α+β鈦合金,實踐經(jīng)驗表明:淬火延遲時間應(yīng)該控制在8s以下,否則組織上的α相將首先在原始β相界形核并長大,嚴重影響鈦合金淬火狀態(tài)的力學性能。
圖9為立式真空水淬爐所處理工件從加熱室轉(zhuǎn)移到淬火室的軌跡示意圖。圖示表明:工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理,僅需垂直降落,無∏型運行軌跡,工件運轉(zhuǎn)時間相對縮短,可達到<6 s,且無水蒸氣污染真空泵組,相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優(yōu)越性。除此之外,采用立式結(jié)構(gòu),十分適用于淬透性不強,長桿狀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理,畸變量十分微小。
圖9 立式真空水淬爐工件轉(zhuǎn)移過程軌跡示意圖
3.3 立式真空水淬爐使用效果
中國某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設(shè)備專門處理TC4鈦合金,工件尺寸外形:Φ 20×200 mm,工藝內(nèi)容:固溶+時效(見表2與表3),取得了良好的效果(見表4)。
4 結(jié)論
(1)鈦合金相變強化離不開真空熱處理,尤其是要完成真空水淬工藝(固溶處理),更需要特殊的專業(yè)設(shè)備,VVWQ系列立式真空水淬爐是針對鈦合金相變強化而研制的不可多得的、熱處理配套設(shè)備,設(shè)備熱場使用金屬屏,輔以高真空加熱環(huán)境,徹底杜絕了鈦合金氧化、氫脆等異常現(xiàn)象,較高的熱場爐溫均勻性,對導(dǎo)熱系數(shù)低的鈦合金完成均勻加熱更為適用;
(2)雙室結(jié)構(gòu)上配置可以移動的水淬槽,滿足了鈦合金工件快速進入水介質(zhì)淬火(固溶)熱處理工藝要求,縱向的、垂直移動的特殊設(shè)備結(jié)構(gòu)保證了鈦合金淬火延遲時間小于6 s,并且垂直入水的轉(zhuǎn)移方式為減少長桿狀工件熱處理畸變提供了可能;
(3)設(shè)備經(jīng)特殊設(shè)計,確保工件在淬火過程產(chǎn)生的水蒸汽對加熱室無影響,水蒸汽對真空系統(tǒng)及泵組無污染。經(jīng)過不同廠家實際使用證明,設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進,不僅適用于鈦合金固溶處理,而且還可擴展應(yīng)用于鈹青銅、鋁合金、鎳基及鈷基高彈性合金、410不銹鋼等真空加熱水介質(zhì)固溶處理,具有廣泛的應(yīng)用前景。
(4)傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐轉(zhuǎn)移時間較長,已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)代化鈦合金熱處理工藝的要求,立式真空水淬是鈦合金真空熱處理發(fā)展的主要方向之一,立式真空水淬爐是今后真空熱處理裝備發(fā)展的必然趨勢。