鈦合金真空熱處理的研究現狀及發展趨勢

和 蓉，米 磊，郭 凱，何忝锜

（西安西工大超晶科技發展有限責任公司，陜西 西安 710200）

鈦合金真空熱處理屬于重要的處理方式，尤其是其中的真空油淬處理，對鈦合金的質量會產生直接的影響，并且真空水淬可以替代傳統的高壓氣淬冷卻，加快冷卻速度的同時增強材料的固溶強化效果，值得在鈦合金加工生產的過程中推廣應用。

1 鈦合金真空熱處理的研究現狀

1.1 真空油淬冷卻技術的研究現狀

此類技術在應用的過程中，主要是將真空淬火油當做是冷卻介質，代替之前的鹽浴熱處理技術、氣氛保護熱處理技術，在一定程度上能夠保證力學性能，增強表面的光潔度，可以確保中和金剛與高合金鋼的淬火效果[1]。當前此類技術已經廣泛應用在相關的熱處理行業之內，在長時間設備改進、工藝升級、提升淬火油品質的情況下，技術已經處于成熟的態勢。但是，在冷卻的過程中，速度較慢，如果不能合理控制，很容易在鈦合金熱處理期間形成脆性，并且在高溫加熱入油之后，工件的表面很容易和油蒸汽之間發生反應形成增碳，對工件的性能造成不利影響，因此，不能應用在鈦合金的真空熱處理工作中。

1.2 真空氣淬冷卻技術的研究現狀

此類技術主要是通過非含氧類型的氣體進行冷卻處理，在某些范圍之內隨著爐體之內氣體壓力的提升，冷卻的速度就會有所加快，目前真空氣淬的過程中，經常使用的冷卻氣體就是氮氣、氦氣、氫氣、氬氣，不同的氣體之間有著一定的導熱性能差異，氫氣屬于冷卻性能最高的氣體，氦氣屬于第二，氬氣最低。采用氫氣進行超高壓氣淬處理，冷卻的速度和水淬的速度較為接近，但是，在應用期間風險較大，進行鈦合金高溫處理的過程中也可能會出現氫脆的現象，所以，不適合應用在鈦合金真空熱處理的操作中。采用氨氣進行超高壓氣淬，冷卻的速度在油淬與水淬處理的中間位置，能夠取代傳統的真空油淬操作方式，但是，由于其應用的成本較高，在淬火操作之后還需進行回收，操作難度大，很難高效化的應用在鈦合金真空熱處理中。氮氣在應用的過程中，成本較低、安全性較高，但是，缺乏一定的冷卻性能，高溫狀態之下也可能會和TI之間發生一定的反應，導致工件的性能降低，也不適合進行鈦合金的真空熱處理。

1.3 真空水淬處理技術的研究現狀

此類技術在應用的過程中將水當做是淬火方面的介質，可以有效進行鈦合金的固溶處理，在應用的過程中，將工件設置在真空環境中，實現無氧化加熱處理之后，可以快速的轉移到淬火水槽之內，獲取到相應的固溶物質，當前國際中很多發達國家都在大力的研究鈦合金真空水淬的工藝技術、機械設備等等，在研究的過程中力圖降低生產成本，確保加工的性能，增強生產的效果和質量。

2 鈦合金真空熱處理的發展趨勢

當前我國在鈦合金真空水淬方面，應用的是臥式真空水淬爐設備，主要是臥式真空油淬爐設備所演變，將其淬火的介質從油料改變成為水分，雖然可以取得良好的成績，但是，很容易出現工件轉移時間過長的現象，大約在10秒鐘以上，對加熱室也可能造成一定污染，并且真空油泵很容易出現乳化的現象，導致生態環境受到污染，同時還需要使用氬氣進行設備的洗護處理，應用的成本較高。為了應對此類問題，我國已經開發出全新的立式真空水淬爐設備，針對于鈦合金的真空熱處理所開發的設備，在應用的過程中，有著高真空加熱的性能，水介質不僅能夠進行淬火固液處理，還能更加準確的進行轉移時間的控制，在一定程度上能夠預防零件在熱處理過程中出現畸變的現象，經過設備真空熱處理之后，鈦合金零件的表面有著一定的光亮度，能夠為相關材料的熱處理提供一定強化支持。在未來發展的進程中，采用立式真空水淬爐設備，具有以下幾種性能。

2.1 加熱室的應用性能

對于立式真空水淬爐設備來講，主要是通過無碳元素金屬屏熱場，和相關的高真空加熱環境來進行加熱，設備的內膽屬于整體結構，將鋁銅合金帶當做是加熱元件，利用各種不銹鋼屏與鉬屏相互整合成為復合型的隔熱屏，可以將最高的加熱溫度控制在零上1350攝氏度，均溫性也能夠維持在5攝氏度之內，不僅能夠確保鈦合金真空熱處理的穩定性，還能形成良好的加熱場。有關的加熱室中存在三級泵組，也就是機械泵、擴散泵與羅茨泵，能夠獲取到雜質含量小于0.01ppm的氣氛，并且加熱的環境較為良好，在其中進行鈦合金熱處理，能夠確保表面的光亮度，營造無氧化的熱處理環境，對于強化材料來講具有重要意義[3]。

2.2 淬火室的應用性能

對于淬火室來講，其中主要是圓筒類型的特殊性結構，并且還有用來進行構件橫向轉移的機械傳動平臺，能夠實現三個工位同時運轉的目的，并且運轉的工位和加熱室之間相互對接，在雙室對接的情況下，更好地在水介質中完成淬火操作。在有關的淬火室之內，有物料升降運載的相關系統，能夠針對工件進行輸送和轉移，時間在6秒鐘之內，并且沒有水蒸氣，不會對真空泵組造成污染。在淬火室之內還有獨立性的真空系統，可以為熱處理提供真空的這個狀態，將真空度控制在10PA，保證從加熱室將工件轉移到淬火室的這個過程不會發生氧化的問題。在淬火室中還有水文傳感器設備、加熱器設備、制冷器設備、水位傳感器設備與水攪拌系統，在各種系統的協同運作下可以更為準確的控制淬火介質的溫度，將水溫控制在零上13攝氏度上下，并且其中的水攪拌系統還能進行介質的強烈攪拌，增強冷卻處理的效果，使得工件可以均勻性的冷卻[4]。

2.3 整體設備的應用性能

完成工件的加熱處理、保溫處理之后，從加熱室進入水介質，直到將所有的工件全部浸沒為止，在此期間固溶處理的轉移環節中，會因為淬火延遲出現耗費時間的現象，而從理論層面來講，淬火延遲的時間應該控制在最低范圍之內，一旦延遲時間過高，將會導致工件表面的溫度大幅度降低，對于馬氏體相變方面、顯微組織方面會造成不良的影響，工件的性能也會隨之降低。尤其當前所使用的α+β鈦合金工件，如果淬火延遲的時間超出8秒鐘，將會導致α相和原本β相的界形合并長大，在一定程度上會導致淬火狀態力學性能受到一定的影響，不能確保熱處理的效果。因此，在未來的發展過程中，應該按照當前所存有的淬火延遲問題，合理設計從加熱室將工件轉移到淬火室方面的軌跡，最好是采用垂直降落的形式，通過軌跡的改善來減少轉運時間，將其控制在6秒鐘之內，同時還需預防蒸汽對真空泵組造成污染，確保真空熱處理的效果和性能[5]。

根據相關的監測可以得知，使用立式的真空熱處理設備，在鈦合金加工過程中，可以確保工件外觀的光亮度，不會出現氧化的顏色，并且淬透性較高，能夠在直徑20毫米的截面之內進行淬透處理。并且在加工之后，很少會出現畸變的現象，能夠將全跳動量提升0.02毫米，在處理之后可以從根本上提升工件機械性能，有著一定的應用優勢和價值。因此，在未來的發展過程中，應重點使用立式真空水淬爐設備，確保鈦合金真空熱處理的效果。

3 結語

綜上所述，在鈦合金固溶強化的過程中，需要保證冷卻的快速性，還要預防和碳元素、氮元素、氧元素、氫元素之間發生反應，處理的難度較高，采用真空水淬技術不僅可以滿足此類要求，還能確保淬火工藝的應用效果。傳統的臥室真空水淬爐設備在應用的過程中，轉移時間很長，不能確保鈦合金的真空熱處理效果，而立式真空水淬爐設備在應用的過程中，可以減少轉移的時間，彌補了傳統設備應用過程中的不足和缺陷，能夠解決目前在真空熱處理方面的技術難題，確保鈦合金工件的高效化、有效性加工處理，具有一定的應用價值，因此，在鈦合金真空熱處理未來發展的過程中，應該重視有關立式真空水淬爐設備的應用，保證工件的加工質量和效果。