鈦合金熱處理過程中的污染問題及相關(guān)防范措施
發(fā)布日期:2020-6-17 23:36:53
鈦合金在加熱過程中,當(dāng)溫度高于550~600℃以后,氫、氧、氮、碳等間隙元素極易滲入金屬表層。氧、氮滲入后可形成滲層,提高合金的耐磨性,但使材料的塑性和疲勞強(qiáng)度下降,多用作耐磨零件使用。其他用途的零件,表面滲入氫、氧、氮等元素后形成污染層。氫在鈦中的擴(kuò)散速度高,即使在室溫也可滲入。氧、氮一般只滲入到表面層的一定厚度,造成表層污染,容易消除,氫則會(huì)滲入到金屬內(nèi)部,只能用真空退火處理消除。生產(chǎn)上為了避免氫的滲入,最好是在真空或干燥的純氬中加熱。在熱處理工藝中的酸洗環(huán)節(jié)也會(huì)造成滲氫。
氧、氮在室溫的擴(kuò)散速度慢,在高溫時(shí)有明顯的擴(kuò)散發(fā)生。氧在α-Ti中的溶解度為14.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),氮的溶解度為7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。氮、氧在α-Ti中的含量超過溶解度極限時(shí), 才會(huì)形成TiO(金黃色) 、T izO; (滲紫色) 、TiO, (白色) 等氧化物或氮化物污染層。在1000℃以下主要是氧滲入,由于氮在鈦中擴(kuò)散系數(shù)小,氮含量基本不增加。污染層由氧化物薄膜及氣體飽和層(氧氮等在α-Ti中的間隙固溶體)組成,飽和層硬度高,塑性低。氧化層容易清除,影響鈦合金性能的主要是富氧的α層。
污染層的深度和硬度決定于加熱溫度、時(shí)間、合金成分以及熱處理狀態(tài)。
加熱溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),污染層越厚,表面硬度也越高。工件截面越小,污染層對(duì)性能影響越大,特別是對(duì)一些表面大的板、帶、管材等,污染層嚴(yán)重降低合金的塑性,難以進(jìn)行成形加工。
鈦在空氣中加熱,表面氧化膜厚度逐漸增加。在300℃以下,氧化膜很薄,且致密,與基體緊密結(jié)合,有很好的抗蝕性及阻止繼續(xù)氧化的作用。在400~500℃加熱,金屬表面出現(xiàn)明顯的變色現(xiàn)象。溫度繼續(xù)升高,氧化膜發(fā)生破裂,加速氧的擴(kuò)散。800℃以上,氧化速率及氧化膜厚度迅速增加。
含錫、錳的合金,抗氧化性較差,在高溫下錫、錳的氧化物容易造成局部熔化,破壞氧化膜的完整性,加快氧的擴(kuò)散。
污染層使合金的塑性、韌性及疲勞強(qiáng)度大大下降。
在氧化膜與基體之間的富氧的α層,其厚度比氧化膜的厚度大,并與合金類型有關(guān)。通常β型合金的富氧層較厚。
因此,鈦合金加熱最理想的條件是在真空中或干燥純氬氣中加熱,此種熱處理工藝將增加產(chǎn)品的成本。為了降低生產(chǎn)成本,半成品的加熱一般均在空氣爐中進(jìn)行,再利用機(jī)加工或酸洗除去氧化層。為了減輕污染,加熱溫度應(yīng)盡可能的低一些。采用保護(hù)涂料加熱,也可大大減輕熱處理過程中造成的表面污染。
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