鈦合金的加工處理將控制工藝分成兩個(gè)大板塊為鍛造工藝和熱處理工藝。鈦環(huán)鍛造工藝后的組織性能取決于熱加工量、變形溫度以及加工速率等。
1、鍛造工藝
鈦合金鍛造的特點(diǎn)主要有：
黏性比較大、流動(dòng)性差，而且磨具與材料之間的摩擦力會(huì)隨擠壓力增大迅速增大，因此在擠壓拔制時(shí)添加潤(rùn)滑劑，如TC4鈦合金熱加工用無鉛玻璃-陶瓷涂抹；對(duì)溫度敏感，變形抗力高，溫度降低流變應(yīng)力升高速度超過鋼；鈦合金導(dǎo)熱性比鋼材差，在擠壓拉拔時(shí)內(nèi)外變形程度不均勻容易導(dǎo)致裂紋萌生。
2、熱處理工藝
除少數(shù)鈦合金系(如 Ti-Cu 系)，可以通過時(shí)效析出金屬間化合物強(qiáng)化而影響組織性能。大多數(shù)鈦合金是通過熱處理控制 β 轉(zhuǎn)變 α，合金成分尤其是 β 穩(wěn)定性元素含量和冷速，對(duì) β 相變有重要影響。合金從高溫 β 相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來，β 相發(fā)生 TTT 曲線的分解：當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度最高時(shí)，轉(zhuǎn)變后組織是(α+β)相；當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g介穩(wěn)定 ω 相，ω 相和未轉(zhuǎn)變完的 β 相進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)?α+β)相；當(dāng)溫度低時(shí)，β 相直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的ω 相 。適當(dāng)?shù)臒崽幚砜煽刂茻崽幚砉に噮?shù)而獲得所期望的顯微組織，從而改善合金的組織力學(xué)性能。
α 相
是不同冷卻速度熱處理工藝控制相變形成。快冷時(shí)，β 相發(fā)生無形核長(zhǎng)大過程，是發(fā)生無擴(kuò)散切變式馬氏體相變，生成六方α ' 相(針狀及塊狀)及正交馬氏體相；慢冷時(shí)，一般容易得到網(wǎng)籃組織，是含較高 β 相穩(wěn)定元素的原因；冷速最慢時(shí)，α 相沿 β 相晶界析出，得到片層魏氏體組織。人們常通過淬火時(shí)效處理，得到細(xì)小的等軸 α 相和 β 轉(zhuǎn)變相，初生 α 相的比例相對(duì)較高，這樣可以得到較好的塑性。為了改善組織得到優(yōu)異的性能，得經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚怼ｂ伜辖鹉苓M(jìn)行退火、時(shí)效、化學(xué)熱處理、形變熱處理等 。
a 退火
退火均能應(yīng)用在 α 型、近 α 型、α+β 型、近 β 型、亞穩(wěn)定 β 型和 β 型鈦合金。
通過退火可以消除內(nèi)應(yīng)力，提高合金的塑性和穩(wěn)定組織。在確定退火溫度時(shí)，應(yīng)考慮到合金的再結(jié)晶、相變、加熱、氧化和產(chǎn)品類型等。常見的退火有雙重退火、再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火等。退火保溫的時(shí)間取決于工件的截面尺寸，退火的溫度范圍如圖 1.2 所示。除退火溫度外冷卻速度是影響組織和性能的重要參數(shù)，冷卻速度較慢時(shí)，容易得到 α+晶間 β 組織。退火速度對(duì) β 相穩(wěn)定元素很少的 α+β 相合金的組織性能影響很小。加熱溫度的高低直接對(duì)合金再結(jié)晶和相變程度產(chǎn)生影響，因此選擇退火的方式就比較重要。雙重退火：作用是改善塑性、斷裂韌性和穩(wěn)定組織。雙重退火是對(duì)合金進(jìn)行兩次加熱和空冷，退火后獲得比較均勻和接近平衡狀態(tài)，有的根據(jù)實(shí)際的需要，對(duì)合金進(jìn)行三重退火，工藝類似于雙重退火。
再結(jié)晶退火：為了消除加工硬化、穩(wěn)定組織和提高塑性，這個(gè)過程中發(fā)生再結(jié)晶。α+β 相鈦合金經(jīng)過再結(jié)晶退火后，之前的變形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，同時(shí) α 相和 β相形態(tài)和數(shù)量組成上均發(fā)生變化；α+β 相退火的塑性明顯升高，力學(xué)性能取決于晶粒尺寸、初生 α 相的數(shù)量以及再結(jié)晶程度。去應(yīng)力退火：消除工件因冷變形、焊接和拔制等工藝工程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。
b 淬火時(shí)效
通過熱處理方式，利用相變產(chǎn)生強(qiáng)化效果稱為淬火時(shí)效。合金經(jīng)過時(shí)效（強(qiáng)化處理）后的強(qiáng)化效果取決于合金的成分、熱處理工藝規(guī)范以及原始組織。成分對(duì)熱處理強(qiáng)化效果的影響：相同的淬火時(shí)效條件下，同一合金系，強(qiáng)化效果隨合金濃度的增加而提高。時(shí)效強(qiáng)化效果隨合金β元素含量越多以及淬火后亞穩(wěn) β 相的數(shù)量增多而越大。不同元素對(duì)熱處理強(qiáng)化效果影響不同，穩(wěn)定 β 相能力越強(qiáng)的元素臨界濃度越低，熱處理強(qiáng)化效果越大。熱處理工藝對(duì)合金淬火時(shí)效強(qiáng)化效果的影響：淬火溫度越高，時(shí)效強(qiáng)化效果越顯著，當(dāng)高于臨界點(diǎn)Tβ淬火時(shí)，晶粒過分粗大導(dǎo)致脆性，因此除 β 型合金外，工業(yè)鈦合金均采用兩相區(qū)加熱淬火。原始組織對(duì)熱處理強(qiáng)化效果的影響：晶粒細(xì)小工件淬火時(shí)效后，強(qiáng)度及塑性比粗晶粒工件淬火時(shí)效后高；等軸 α 組織的合金熱處理后塑性較高，針狀 α 組織的合金熱處理后塑性低。因此，控制淬火時(shí)效前合金的組織對(duì)淬火時(shí)效強(qiáng)化有重要作用。
c 化學(xué)熱處理
鈦合金在氧化介質(zhì)中的耐腐蝕性較好，而在還原性介質(zhì)中的耐蝕性很差。為了改善合金的耐蝕性，利用電鍍、噴涂和化學(xué)處理等方法。化學(xué)處理包括滲碳、金、氧以及氮等元素，提高合金表明硬度、耐磨性和耐腐蝕性。滲氧的溫度一般為 700℃～850℃，保溫 2 到 10 小時(shí)，滲氧層厚度為 0.06～0.08mm。滲氮是在密封爐中進(jìn)行，在溫度為 850℃～950℃條件下保溫 30～40h；或在氮?dú)怏w中進(jìn)行離子氮化。合金滲氮后硬度提高 2～4 倍，在耐磨和抗腐蝕方面得到大大的改善。
d 形變熱處理
形變熱處理形是將變形和熱處理結(jié)合起來的一種處理方式。形變熱處理這種處理方法可達(dá)到形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化的效果，得到與單一強(qiáng)化方法所不能獲取的組織與綜合性能。形變熱處理可以在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行或者再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行，隨后進(jìn)行常規(guī)時(shí)效處理。蔡建明等人采用一種新的熱機(jī)械處理工藝來細(xì)化 SP700 鈦合金的晶粒，最后得到初生 α 相顆粒約 1～2μm，顯著的提高了鈦合金的強(qiáng)度以及塑性。這是因?yàn)樵谧冃芜^程中，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和其他晶格缺陷得以保留到室溫，并且使亞穩(wěn)相得以組織細(xì)化；在隨后處理中，作為析出相的形核位置，使析出相高度彌散，并均勻分布，顯著提高塑性和強(qiáng)度。影響形變熱處理效果的因素主要有：合金的成分、變形量、變形速率、保溫溫度、冷卻速度和隨后的處理規(guī)范等，形變熱處理的工藝路線如圖1。TC4 鈦合金的等軸組織通常采用形變熱處理方法獲取，先對(duì)合金進(jìn)行變形處理后立即水淬，然后進(jìn)行球化處理細(xì)化晶粒。由于變形后水淬保留大量的晶體缺陷，結(jié)晶形核多，破碎的條狀組織容易發(fā)生多邊化和結(jié)晶以及球化，從而得到細(xì)小均勻的等軸組織。變形熱處理之后的力學(xué)性能如表1列出，以 TC4 合金經(jīng)形變熱處理為例，從表中看出，塑性并沒有隨變形量增加而有所改善。
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