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钛合金热处理过程中的污染问题

发布时间 :2020-06-17 22:58:13 浏览次数 :

钛合金在加热过程中,当温度高于550~600℃以后,氢、氧、氮、碳等间隙元素极易渗入金属表层。氧、氮渗入后可形成渗层,提高合金的耐磨性,但使材料的塑性和疲劳强度下降,多用作耐磨零件使用。其他用途的零件,表面渗入氢、氧、氮等元素后形成污染层。氢在钛中的扩散速度高,即使在室温也可渗入。氧、氮一般只渗入到表面层的一定厚度,造成表层污染,容易消除,氢则会渗入到金属内部,只能用真空退火处理消除。生产上为了避免氢的渗入,最好是在真空或干燥的纯氩中加热。在热处理工艺中的酸洗环节也会造成渗氢。

氧、氮在室温的扩散速度慢,在高温时有明显的扩散发生。氧在α-Ti中的溶解度为14.5%(质量分数),氮的溶解度为7%(质量分数)。氮、氧在α-Ti中的含量超过溶解度极限时, 才会形成TiO(金黄色) 、T izO; (渗紫色) 、TiO, (白色) 等氧化物或氮化物污染层。在1000℃以下主要是氧渗入,由于氮在钛中扩散系数小,氮含量基本不增加。污染层由氧化物薄膜及气体饱和层(氧氮等在α-Ti中的间隙固溶体)组成,饱和层硬度高,塑性低。氧化层容易清除,影响合金性能的主要是富氧的α层。

污染层的深度和硬度决定于加热温度、时间、合金成分以及热处理状态。

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加热温度越高,保温时间越长,污染层越厚,表面硬度也越高。工件截面越小,污染层对性能影响越大,特别是对一些表面大的板、带、管材等,污染层严重降低合金的塑性,难以进行成形加工。

钛在空气中加热,表面氧化膜厚度逐渐增加。在300℃以下,氧化膜很薄,且致密,与基体紧密结合,有很好的抗蚀性及阻止继续氧化的作用。在400~500℃加热,金属表面出现明显的变色现象。温度继续升高,氧化膜发生破裂,加速氧的扩散。800℃以上,氧化速率及氧化膜厚度迅速增加。

含锡、锰的合金,抗氧化性较差,在高温下锡、锰的氧化物容易造成局部熔化,破坏氧化膜的完整性,加快氧的扩散。

污染层使合金的塑性、韧性及疲劳强度大大下降。

在氧化膜与基体之间的富氧的α层,其厚度比氧化膜的厚度大,并与合金类型有关。通常β型合金的富氧层较厚。

因此,钛合金加热最理想的条件是在真空中或干燥纯氩气中加热,此种热处理工艺将增加产品的成本。为了降低生产成本,半成品的加热一般均在空气炉中进行,再利用机加工或酸洗除去氧化层。为了减轻污染,加热温度应尽可能的低一些。采用保护涂料加热,也可大大减轻热处理过程中造成的表面污染。



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