钛合金真空热处理的研究现状及发展趋势

戴煜 马卫东 李礼

钛合金具有耐腐蚀性强、耐热性好、弹性模量低、无磁性等诸多特性，经固溶处理再時效强化后的比强度远高于高强度铝合金、镁合金及高温合金，甚至与超高强度钢相当，广泛应用于航空航天、国防军工、船舶、生物医用、化工、汽车等领域[1]。如美国F-22战机上钛合金的用量已高达41%，而铝合金和钢的用量分别只有15%和5%[2]。真空油淬、真空高压气淬是材料热处理的主要方式之一，真空油淬严重影响钛合金质量，高压气淬冷却速度远不能满足钛合金固溶处理的要求，真空水淬是唯一赋予钛合金固溶强化的关键技术[3]。立式真空水淬冷却速度快、固溶强化效果好，已成为业界竞相研究开发的热点。

本文根据国内钛合金真空热处理的研究现状，结合中国热处理与表层改性技术路线图提出的相关发展目标，以研制的新一代立式真空水淬炉为契机，就钛合金真空热处理未来的发展趋势进行了深入的思考与探讨，并指出立式真空水淬是其主要的发展方向之一。

一、钛合金热处理强化

1.钛合金的淬火处理

淬火时效是钛合金热处理强化的主要方式，利用相变产生强化效果，故又称强化热处理。对于纯α型钛合金，热处理的方法基本上不奏效，即钛合金的热处理主要用于α+β型钛合金。冷却方式一般选用水淬，油淬、气淬使用较少，淬火的过程要迅速，以防止β相在转移过程中发生分解，降低时效强化效果。

2.钛合金的相变过程

热处理强化的基础是钛合金加热及冷却时产生的相变，主要以马氏体相变后，时效分解获得弥散强化为核心[4]。以α+β钛合金钛（Ti）-5铬（Cr）-3铝（Al）为例，自高温冷却时，根据冷却速率不同将发生图1所示的转变[5]。

由图1可知，当合金从固溶温度快速冷却（水淬）时，发生马氏体相变，过程中有亚稳定β（β）形成，室温下得到六方α相（hcp，马氏体）；当冷却速度较慢时（油淬），部分β相转变为ω相；当冷却速度更低时（加压气淬），β相转变为α与ω相；当冷却速度非常低时（炉冷），β相转变为α与β相；在520℃～720℃范围内，当冷却速度非常缓慢时，发生共析分解β→α+TiCr2（化合物），即α相在原始β相界形核并长大。

综上所述，欲实现钛合金材料的固溶强化，淬火是前提，淬火过程的冷却速度起决定作用。要得到马氏体相变，需加大冷却速度，只有立式真空水淬能够实现。

3.钛合金热处理强化特点

钛合金在加热和冷却过程中会发生相变，对于不同合金体系可以通过控制其各自的相变过程，从而得到不同的组织结构。通过不同介质的钛合金冷却试验（如图2所示），可以发现钛合金热处理强化特点主要表现为：①热处理强化主要用于α+β钛合金、近β钛合金，其他钛合金基本无效；②与钢铁材料不同，反复热处理相变不能细化晶粒；③ω相使合金变脆，淬火过程应尽量避免形成ω相；④马氏体相变不能使钛合金得到强化，只能通过淬火时形成的稳定相（包括马氏体相）的时效分解，即弥散强化；⑤α+β钛合金热处理淬火后淬透性不高，淬火热应力大，容易引起长杆状零件变形，因此只能竖向装料，并纵向进入淬火介质内；⑥快速冷却比慢速冷却组织中αp相要小一些。

二、钛合金真空热处理技术研究现状

真空热处理技术是根据组织性能要求和构件材料的相变规律，选择适合的冷却介质，使得真空加热的材料和构件在真空环境下按照要求的冷却速度冷却至出炉温度。真空热处理常用冷却介质包括：真空淬火油、非含氧气体和水，选择不同的冷却介质具有不同的冷却速率[6]，如图3所示。

1.真空油淬冷却技术

真空油淬冷却利用的冷却介质为真空淬火油，该技术可以替代盐浴、气氛保护热处理，在获得理想的心部组织和力学性能的同时，保证表面的光洁，特别适用于中、高合金钢的淬火[7]。

目前，真空油淬技术在我国热处理行业应用广泛，通过长期的设备、工艺、淬火油品质的改进，真空油淬技术较为成熟。但是，由于其冷却速率较慢（低于水淬），在钛合金热处理过程中如果控制不得当，容易形成脆性ω相；另一方面，钛合金工件高温加热入油后，在工件表面与油蒸汽接触反应瞬间形成增碳，不利于钛合金性能的提高，因此不太适用于钛合金的真空热处理。

2.真空气淬冷却技术

真空气淬冷却利用的非含氧型气体作为冷却介质，其特点是在一定范围内，随着炉内气体压力的提高，冷却速度可以随之提高。真空气淬常用的冷却气体是：氮气（N2）、氢气（H2）、氦气（He）和氩气（Ar），它们的导热能力有很大差别，H2的冷却能力最强，He次之，N2第3，Ar最次[8]。

使用40bar H2超高压气淬，其冷却速度可以接近水淬速度，但H2使用较为危险，同时钛合金高温时容易吸H引起氢脆，因此不能作为钛合金真空热处理的冷却介质；使用20bar He超高压气淬，其冷却速率介于油和水之间，可以取代真空油淬，但He和Ar价格太高，淬火后还需考虑回收，热处理成本过高而不能作为钛合金真空热处理的主要冷却介质；N2廉价、安全，但是冷却能力较差，且高温下与Ti发生强烈反应，降低钛合金材料性能。该技术也不适用于钛合金固溶强化处理。

3.真空水淬冷却技术

真空水淬技术用水作为淬火介质，特别适用于钛合金工件的固溶处理。真空水淬的工件在真空条件下完成无氧化加热之后，迅速转移至淬火水槽，得到所需的固溶组织。

目前国际上发达国家正在研究钛合金真空水淬的新工艺与新装备，试图降低钛合金真空热处理生产成本、改善性能，提高产品质量。

三、钛合金真空热处理装备现状及发展趋势

1.卧式真空水淬炉的局限

目前，钛合金真空水淬主要采用传统的卧式真空水淬炉（如图4所示）。传统的卧式真空水淬炉由卧式真空油淬炉演变而来，不同之处在于淬火介质由油改成了水，这样带来了诸多缺点：①工件转移时间长（大于10s）；②污染加热室；③真空泵油乳化，污染环境；④需氩气洗炉，运行成本高。

鉴于此，湖南顶立科技有限公司（以下简称“顶立科技”）开发了新一代VVWQ系列立式真空水淬炉设备，专门用于钛合金材料的真空热处理。该设备除了具有高真空加热，水介质中淬火固溶外，还能够精确控制被处理的钛合金零件从加热室到淬火室转移时间，最大限度地减少零件的热处理畸变，经真空热处理后钛合金工件表面光亮，为钛合金材料热处理强化技术提供了设备保障。

2.立式真空水淬炉结构及特点

立式真空水淬爐结构示意图如图5所示，其部件结构及特点见下：

（1）加热室结构及特点

该立式真空水淬炉采用无碳元素的金属屏热场，辅以高真空加热环境。炉胆为整体式结构设计，加热元件采用钼镧合金带，隔热屏是由钼屏与不锈钢屏组成的复合隔热屏，最高加热温度可达1 350℃、均温性≤±5℃，对钛合金而言是一个稳定、清洁的加热场；加热室真空获得系统配置了三级泵组，即机械泵+罗茨泵+扩散泵，可以得到相当于杂质含量≤0.01ppm气氛加热环境（真空度≤5×10-3Pa），为钛合金光亮、无氧化热处理强化提供保障。

（2）淬火室结构及特点

淬火室采用圆筒型特殊结构，配有一套用于横向转移的机械传动系统，可实现淬火室3工位运转，运转工位最重要的是与加热室的对接工位，只有完成双室对接，才可完成水介质中淬火；淬火室内部装有1套物料升降机运载系统，用于钛合金工件的输送（装料室至加热室）与转移（加热室至淬火室），转移时间<6s，且无水蒸气污染真空泵组；淬火室配有1套独立的真空系统，可提供粗真空状态（真空度≤10Pa），确保工件从加热室转移至淬火室的过程中工件不被氧化；淬火室内配置水温传感器、加热器、制冷系统、水位传感器及1套水搅拌系统，可以实现对淬火介质温度的精确控制（水温维持在10～15℃左右），水搅拌系统对淬火介质强烈搅拌提高冷却效果，给予钛合金工件更均匀的冷却。

（3）立式真空水淬炉优势

钛合金工件加热、保温结束后，由加热室进入水介质，直至工件全部浸没，完成固溶处理的整个转移过程所耗费的时间为淬火延迟时间。淬火延迟时间理论上越小越好，否则随着延迟时间的增加，钛合金工件表面的温度下降，对钛合金材料发生马氏体相变及显微组织十分不利，进而影响性能。尤其对α+β钛合金，实践经验表明：淬火延迟时间应该控制在8s以下，否则组织上的α相将首先在原始β相界形核并长大，严重影响钛合金淬火状态的力学性能[9]。

图6为立式真空水淬炉所处理工件从加热室转移到淬火室的轨迹示意图。工件从立式真空水淬炉中完成固溶处理，仅需垂直降落，无∏型运行轨迹，工件运转时间相对缩短，可达到小于6s，且无水蒸气污染真空泵组，相比卧式真空水淬炉显示了极大的优越性。除此之外，采用立式结构，十分适用于淬透性不强，长杆状结构的α+β钛合金零部件的固溶热处理，畸变量十分微小。

中国某公司使用VVWQ3030立式真空水淬炉设备专门处理TC4钛合金，工件尺寸外形为Φ20mm×200mm，工艺内容为固溶+时效，取得了良好的效果。

检测结果表明：①外观。工件处理完毕后，表面光亮，无氧化色。②淬透性。Φ20mm截面内全部淬透。③畸变量。较小，全跳动量增加0.02mm。经过处理，工件的机械性能大幅提高，具体如表1所示。

四、结语

钛合金固溶强化需要快速冷却，同时易与碳（C）、氮（N）、氧（O）、氢（H）等发生强烈反应，注定其最佳的淬火工艺为真空水淬，立式真空水淬是其发展的主要方向之一。卧式真空水淬炉转移时间较长，已经不再适应现代化钛合金热处理工艺的要求，立式真空水淬炉是今后真空热处理装备发展的必然趋势。顶立科技研制的新一代立式真空水淬炉，解决了传统设备诸多的关键技术难题，设备结构新颖、技术先进，不仅适用于钛合金固溶处理，同时还可以扩展应用于铍青铜、铝合金、镍基及钴基高弹性合金、410不锈钢等真空加热水介质固溶处理，应用前景十分广阔。

参考文献

[1] 赵永庆，陈永楠，张学敏，等.钛合金相变及热处理[M].长沙：中南大学出版社，2012：1-75.

[2] 李晓红.一代材料一代装备——浅谈航空新材料与飞机、发动机的发展[J].中国军转民，2008（10）：4-11.

[3] 赵振业，闰牧夫，田世藩，等.中国热处理与表层改性技术路线图[M].北京：中国工程院，2013：145-180.

[4] 邓安华.钛合金的马氏体相变[J].上海有色金属，1999，20（4）：193-199.

[5] 赵永庆，洪权，葛鹏.钛及钛合金相图谱[M].长沙：中南大学出版社，2009：55-79.

[6] 陈春怀，姚继洪，朱祖昌.绿色化学和绿色淬火介质[J].热处理，2011，26（3）：60-64.

[7] Machkenzie S.先进的淬火介质及冷却技术[C].第八次全国热处理大会论文集，2003：710-716.

[8] 陈乃录，潘健生，廖波.淬火冷却技术的研究进展[J].热处理，2004，19（3）：17-22.

[9] 张民.热处理对TC21钛合金组织和性能的影响[D].西安：西北工业大学，2004：7-11.