钛的热处理方法

一.钛的基本热处理:

      工业纯钛是单相a型组织，虽然在890℃以上有a-β的多型体转变，但由于相变特点决定了它的强化效应比较弱，所以不能用调质等热外理提高工业纯钛的机械强度。工业纯钛的热处理就是退火。它的主要退火方法有三种:1再结晶退火2消应力退火3真空退火。前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应，以恢复塑性和成型能力。

      工业纯钛在材料生产过程中加工硬度效应很大。经不同冷加工后，TA2屈服强度的升高，因此在钛材生产过程中，经冷、热加工后，为了恢复塑性，得到稳定的细晶粒组织和均匀的机械性能，应进行再结晶退火。工业纯钛的再结晶温度为550-650℃，因此再结晶退火温度应高于再结晶温度，但低于a-β相的转变温度。在650-700℃退火可获得较高的综合机械性能(因高于700℃的退火将引起晶粒粗大，导致机械性能下降)。退火材料的冷加工硬化一般经10-20分钟退水就能消除。这种执外理一般在针材生产单位进行。为了减少高温热处理的气体污染并进一步脱除钛材在热加工过程中所吸收的氢气，目前一般钛材生产厂家都要求真空气氛下的退火处理。

       为了消除钛材在加工过程(如焊接、爆炸复合、制造过程中的轻度冷变形)中的残余应力，应进行消应力热处理。

       消应力退火一般不需要在真空或氩气气氛中进行，只要保持炉内气氛为微氧化性即可。

二.钛及钛合金的热处理:

       为了便于进行机械工业加并得到具有一定性能的钛和钛合金，以满足各种产品对材料性能的要求，需要对钛及钛合金进行热处理。

1.工业纯钛(TA1、TA2、TA3)的热处理

     a-钛合金从高温冷却到室温时，金相组织几平全是a相，不能起强化作用，因此，目前对a-钛只需要进行消应力退火、再结晶退火和真空退火处理。前两种是在微氧化炉中进行，而后者则应在真空炉中进行。

(一)消应力退火

        为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生的内应力，以便于以后加工，并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破坏，对a-钛应进行消除应力退火处理。消除应力退火温度不能过高、过低，因为过高引起晶粒粗化，产生不必要的相变而影响机械性能，过低又会仲应力得不到消除，所以，一般是选在再结晶温度以下对于工业纯钛来说，消除应力退火的加热温度为500-600℃。加热时间应根据工件的厚度及保温时间来确定。为了提高经济效果并防止不必要的氧化，应选择能消除大部分内应力的最短时间。工业纯钛消除应力退火的保温时间为15-60分钟，冷却方式一般采用空冷。

(二)再结品退火(完全退水)

       a-钛大部分在退火状态下使用，退火可降低强度、提高塑性，得到较好的综合性能。为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染，热处理温度尽可能选得低些。工业纯钛的退火温度高于再结晶温度，但低于a向β相转变的温度120-200℃，这时所得到的是细晶粒组织。加热时间视工件厚度而定，冷却方式一般采用空冷。对于工业纯钛来说，再结品退火的加热温度为680-700℃，保温时间为30-120分钟。规范的选取要根据实际情况来定，通常加热温度高时，保温时间要短些。

       需要指出的是，退火温度高于700℃时，而且保湿时间长时，将引起晶粒粗化，导致机械性能下降，同时，晶粒一旦粗化，用现有的任何热处理方法都难以使之细化。为了避免品粒粗化，可采取下列两种措施

        1)尽可能将退火温度选在700℃以下。

        2)退火温度如果在700℃以上时，保温时间尽可能短些，但在一般情况下，每mm厚度不得少于3分钟，对于所有工件来讲，不能小于15分钟。

(三)真空退火

        钛中的氢虽无强化作用，但危害性很大，能引起氢脆。氢在a-钛中的溶解度很小，主要呈TiH2化合物状态存在，而TiH2只在300℃以下才稳定。如将a钛在真空中进行加热，就能将氢降低至0.1%以下。当钛中含氢量过多时需要除氢，为了除氢或防止氧化，必须进行真空退火。真空退火的加热温度与保温时间，与再结晶退火基本相同。冷却方式为在炉中缓冷却到适当的温度，然后才能开炉，真空度不能低于5x10-4mmHg。

二.TC4(Ti-6AI-4V)的热处理

       在钛合金中，TC4是应用比较广泛的一种钛合金，通常它是在退火状态下使用。对TC4可进行消除应力退火、再结品退火和固溶时效处理，退火后的组织是a和β两相共存，但β相含量较少，约占有10%。TC4再结晶温度为750℃。再结晶退火温度一般选在再结晶温度以上80~100℃(但在实际应用中，可视具体情况而定)，再结晶退火后TC4的组织是等轴a相+β相，综合性能良好。但对TC4的退火处理只是一种相稳定化处理，为了充分其优良性能的潜力，则应进行强化处理。TC4合金的a+β/β相转变温度为980~990℃，固溶处理湿度一般选在a+β/β转变温度以下40~100℃(视具体情况而定)，因为在相区固溶处理所得到的粗大魏氏体组织虽具有持久强度高和断裂韧性高的优点，但拉伸塑性和疲劳强度均很低，而在a+β相区固溶处理则无此缺点。

       时效处理是将固溶处理后的TC4加热到中等温度，保持一定时间，随后空冷。时效处理的目的是消除固溶处理所产生的对综合性能不利的a相。固溶处理所产生的淬火马氏体 a，在时效过程中发生迅速分解(相变相当复杂)，使强度升高。

       时效温度和时间的选择要以获得较好的综合性能为准。在推荐的固溶及时效范围内，通过时效硬化曲线来确定工艺。低温时效(480-560℃)要比大于700℃的高温时效好。因为在高温时的拉伸强度、持久和蠕变强度、断裂韧性以及缺口拉伸性能等各方面，低温时效都比高温时效的好。

      经固溶处理的TC4综合性能比750-800℃退火处理后的综合性能要好。

      需要指出的是，TC4合金的加工态原始组织对热处理后的显微组织和力学性能有较大的影响。对于高于相变温度，经过不同变形而形成的网兰状组织来说，是不能被热处理所改变，在750~800℃退火后，基本保持原来的组织状态;对于在相变温度以下进行加工而得到的a及β相组织，在750-800℃退火后，则能得到等轴初生a相及转变的β相。前者的拉伸延性和断面收缩率都较后者低:但高温性能和断裂韧性、抗热盐应力腐蚀都较高。