钛合金及应用讲义 (15).pdf

1 知知识识点点讲讲义义 授课题目 第 4 章 钛合金的相变及热处理 知识点 5 退火 教学目的 和要求 理解钛合金退火 教学重点 退火 教学难点 无 教学进程 教学内容、教学设计、教学过程 教学目标教学目标 1：钛合金热处理的种类 教学内容及过程设计：钛合金的相变是钛合金热处理的理论基础。为了改善钛合金的性能，除了合金化外,还要进行适当的热处理。钛合金能进行的热处理类型较多，有退火、时效、化学热处理、形变热处理等。退火应用于各种钛合金,而且是型钛合金和含少量 相的+型合金的惟一热处理方式,因为这两类合金 不能进行热处理强化。淬火时效可用于+，+TixMy 和亚稳型钛合金,因为它们淬火可获得马氏体或亚稳相,具备了热处理强化的必要条件。但是单一的淬火较少应用，它只是一种提高某些合金塑性的热处理工序。一般在半成品或零件的加工中间阶段进行。淬火时效属于一种强化热处理，可显著提高合金的强度,主要是借助于固溶体相的弥散硬化，而金属间化合物的沉淀硬化作用在钛合金中的应用范围有限,只是在某些耐热钛合金中采用。两相钛合金的热处理分为热处理和 +相区热处理。W.Szkliniarz等人通过计算确定在一定的加热速度内,+转变是以扩散形式进行的,可以认为/界面迁移导致相区的扩大。在高温下，钛表面氧化速率显著增加，而且氧、氮等原子会渗入金属内层，降低合金的韧性；在还原气氛中加热，易造成氢脆。所以，在热处理工艺方面，应注意钛合金的表面防护问题。教学目标教学目标 2：退火 教学内容及过程设计：退火的目的是消除内应力，提高塑性及稳定组织。2 图 4-26 钛合金各种方式退火温度范围示意 常见的钛合金的退火方式有去应力退火、再结晶退火、双重退火、真空去氢退火等。各种方式的退火温度范围见图 4-26。具体的退火规范见表 4-2。退火保温时间决定于工作的截面尺寸，薄件的退火保温时间一般不超过 0.5h。表 4-3 列出了退火保温时间与工件厚度的关系。钛合金经变形加工制成的半成品或零件，在退火加热时，主要发生再结晶。退火冷却速度对合金组织和性能影响不大。但+合金在退火时，除再结晶外，还同时发生的相变过程，退火温度较低或冷却速度较慢时，容易得到+晶间组织。因而退火温度及随后的冷却速度将影响合金的组织和性能，应根据需要确定其冷却方式。退火常用的冷却方式有:炉冷到一定温度后空冷;简单空冷;分级冷却，即在加热保温后，将工件迅速转人另一温度较低的炉中保温一定时间后空冷;二次空冷，每次加热后均采用空冷。3 除简单空冷外，所有以上最后空冷的出炉温度，应保证合金组织已足够稳定，在以后的工作条件下受热或冷却不再发生明显的变化。在+双相合金中，相稳定元素含量越少，退火冷却速度对合金组织性能的影响越小。合金在平衡状态下组成相主要是相。合金中稳定元素含量很高，相比较稳定，的转变过程缓慢，空冷能阻止相的析出。炉冷时，有少量的相析出，组织不均匀，使合金的强度降低。所以，合金常采用空冷，获得单一的相组织。退火加热温度的高低能影响合金再结晶和相变进行的程度。大多数钛合金的相转变温度均高于其再结晶温度，只有一些稳定元素含量很高的合金例外，其相变温度接近或低于再结晶的终了温度。再结晶温度与材料的变形度有关。两相钛合金的再结晶过程比单相钛合金复杂。因为两个相都要发生再结晶，由于两相的特性及变形量不同，故它们的再结晶过程不完全相同，且相对相的再结晶有一定的阻碍作用。一般变形度要达到 20%以上，合金中的和相才均沿变形方向伸长。在再结晶开始温度退火时，相发生再结晶，在其变形的基体内析出多边形的小晶粒。温度升高，此种晶粒逐渐增多、长大。同时，相亦发生再结晶。由于存在相转变，温度升高，相增多，而且相变时原子的扩散，相的溶解、析出和聚集，使变形拉长的相逐步转变为分布在晶粒周围的小岛。温度升高，接近相变点时，相成为合金的基体。退火后空冷，在再结晶的相中析出次生，得到转变组织的基体上分布着的组织。在相变点以上加热，晶粒迅速长大，使合金的塑性下降。如 Gil F.J等研究了 Ti-6Al-4V 和 NiTi 在单相状态下晶粒的长大过程。与其他合金相比，钛合金的晶粒长大指数偏高。晶格结构的变化会导致在相变点以上时，晶粒长大指数增加。在 Ti-6Al-4V 合金的晶粒生长过程中存在溶质牵制效应，严重影响晶粒长大。随着温度的下降，Ni-Ti 合金中发生马氏体转变，阻碍奥氏体转变。另外晶粒尺寸的增加导致马氏体形核的诱发应力增加。变形的单相钛合金在相变点以下的温度退火时，仅发生相的再结晶和晶粒长大。退火温度和冷却速度不同时，合金的组织不同，性能也不同。可根据所需性能及晶粒大小，确定退火加热温度。再结晶退火温度应选择在再结晶已基本完成，但晶粒还未开始明显长大的温度。对于热变形合金，一般情况下，其变形终了温度低于再结晶终了温度，具有局部变形硬化效应。为了减少钛合金的氧化和污染程度，退火加热温度应考虑尽可能不要过高，但在真空炉内加热时，加热温度可比非真空炉高。板材面积大，氧化倾向大，故其加热温度比锻件低，半成品的加热温度可比成品略高。综上所述，在确定退火温度时，应考虑到合金的再结晶、相变、加热、氧化和产品类型等问题。4 教学目标教学目标 3：几种退火方式 教学内容及过程设计：1.去应力退火 冷变形、铸造及焊接等工艺过程中产生的内应力，如不消除，工件容易发生应力腐蚀开裂等现象，故应进行去应力退火。退火温度较低，低于合金的再结晶温度，一般在 450650之间。保温时间决定于工件的截面尺寸、加工历史及所需消除应力的程度。机加工件一般保温 0.52h,焊接件为 212h。退火过程主要发生回复，组织中空位浓度下降，发生部分多边化，形成亚结构。去应力退火不能完全消除内应力，保温时间越长，应力去除越彻底。退火后，合金的屈服强度有所降低，其他力学性能基本不变。2.普通退火 目的是使钛合金半成品基本消除应力，并具有较高的强度和符合技术条件要求的塑性。退火温度一般与再结晶开始温度相当或略低，此种退火工艺一般冶金产品出厂时使用，所以又称工厂退火。退火后的组织多半还处在再结晶开始或部分再结晶阶段。经过变形的半成品进行普通退火时，其组织发生完全多边化和部分再结晶及热变形后得到的一些亚稳相发生分解，从而使半成品既能完全消除内应力，又能保证较高的强度和适当的塑性。通过调整退火时间和温度，可控制半成品的强度和塑性。Ti-6242S 合金的名义成分为 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si,属近型合金，具有高强度、高韧性和良好的抗蠕变性能，主要用于制作航空发动机的压气机盘、叶片和机匣等，最高使用温度为 550。经简单退火处理的 Ti-6242S 合金的室温和高温力学性能都很好，同时高温持久性能也好。但 Ti-6242S 合金更适合采用双重退火，经双重退火后，合金的室温和高温下的力学性能达到最佳。3.再结晶退火 为了消除加工硬化、稳定组织和提高塑性，可选用完全退火、这一过程主要发生再结晶，故也称再结晶退火。退火温度一般高于或接近再结晶终了温度，介于再结晶温度和相变温度之间，超过相变点温度，形成粗大的魏氏体组织使合金性能恶化。退火保温时间跟工件厚度有关。于5mm 的工件，保温时间少于 0.5h;厚度大于 5mm,随厚度的增加，保温时间延长，但一般不超过 2h。保温后炉冷至一定温度后出炉空冷。对于型和低合金化的+型合金，其退火温度为 650800,冷却方式采用空冷。对于合金化程度较高的+型合金，应注意退火后的冷却速度，因冷却速度不同会影响相的转变方式，空冷后的强度明显高于炉冷。对于亚稳型合金，退火温度较高，冷却方式采用快冷，因慢冷会导致相的析出，降低合金的塑性。再结晶退火过程中，变形晶粒转变为等轴晶粒，同时存在相、相在组成、形态和数量上的变化，大部分和+型钛合金都是在完全退火状态下使用。退火后合金的性能取决于晶粒尺寸、初生相数量及再结晶程度等。再结晶后合金的强度低于普通退火，但塑性高于普通退火。4.双重退火 为了改善合金的塑性、断裂韧性和稳定组织可采用双重退5 火。退火后合金组织更加均匀和接近平衡状态。耐热钛合金为了保证在高温及长期应力作用下组织和性能的稳定，常采用此类退火。双重退火是对合金进行两次加热和空冷。第一次高温退火加热温度高于或接近再结晶终了温度，使再结晶充分进行，又不使晶粒明显长大，并控制初生 a 相的体积分数。空冷后，组织还不够稳定，需进行第二次低温退火，退火温度为低于再结晶温度的某一温度(约低于相变点 300500)，保温较长时间，使高温退火得到的亚稳相充分分解，使组织更接近平衡状态，产生一定程度的时效强化效果，以保证成品在长期服役过程中组织稳定。国产 BT20 钛合金实际元素含量较高，已属 a+两相钛合金的范畴，其强度随退火温度的提高而增加。一次退火和淬火时效均能使 BT20 钛合金的强度有不同程度的提高，但是，在较高温度进行一次退火，工艺简单且可满足性能要求。因此生产 BT20 钛合金大锻件时，可在较高温度进行-次退火，使合金的强度和塑性都达到较高水平。其双重退火工艺中的一次退火温度较高，在 780950之间，二次退火温度为500650，退火后均为空冷。不同时间的二次退火、空冷试验表明，尽管二次退火后拉伸性能变化不大，但在 550以上进行二次退火，在保持较高强度的同时，塑性得以提高。有的合金采用三重退火，其工艺过程与双重退火类似，只是将第二次退火再分两次进行。其第一次退的目的和工艺与双重退火的第一次退火相同，其第二次退火的退火温度略低于再结晶温度，保温时间短，目的是使成形工序中的热校形容易进行，并使组织进一步稳定。第三次退火与双重退火的第二次退火工艺和目的相同，但保温时间短一些。5.等温退火 等温退火可获得最好的塑性和热稳定性。此种退火适用于稳定元素含量较高的两相钛合金，这类合金相稳定性高，空冷不能使相充分分解，故需采用缓慢冷却。等温退火采用分级冷却的方式，即加热至再结晶温度以上保温后，立即转人另一较低温度的炉中(一般 600650)保温，而后空冷至室温。等温退火可使相充分分解，并有一定聚集。经退火后组织的热稳定性及塑性均很高，但强度低于双重退火。等温退火可用双重退火代替。6.真空退火 真空退火是消除氢脆的主要措施之一。钛合金中的氢含量除与冶炼条件有关外，在还原性气氛中加热或在酸洗过程中均可能吸氢。氢属于间隙式稳定化元素，它在相中的溶解度较大(约 2%)，在相中的溶解度很低(0.001%0.002%)，多余的氢以 TiH2 化合物(相)形式存在，见第 2 章中图 2-6。TiH2 呈片状，本身断裂强度很低，在金属基体中起着类似裂纹的作用。钛合金中，微量的氢足以导致氢脆，使合金的冲击韧性及塑性显著降低。a+型合金中，氢优先溶于相内，含量不高时，常规拉伸性能变化很小，但在低应变速率或应力持久作用下，氢原子在位错等缺陷处聚集成柯垂尔气团，甚至析出 TiH2 化合物，促使材料脆断，因此 a 及 a+型合金对氢脆都很敏感，但它们的表现形式不同。氢与氧、氮等间隙元素不同，氢6 在钛中的溶解-析出过程是可逆的，当外界环境中氢的分压降低时，氢会从钛中逸出以维持同外界的平衡。在真空中加热时，真空中氢的分压低，又是加热状态，氢容易从钛中逸出。故可采用真空退火方法降低钛中的氢浓度。退火温度为 650850，保温 16h,真空度不低于 110-1Pa。对于成品零件，最好在零件四周填一些预先经过除气处理、表面洁净的钛屑，可保证零件表面的光泽。