鈦材料熱處理(heattreatmentoftitaniummaterial)

通過加熱、保溫和冷卻的方法，來改變鈦材料半成品和零件的內部組織結構，從而達到改善性能的過程。是鈦材料制備工藝之一。加熱溫度、保溫時間和冷卻速度是影響鈦合金熱處理過程的主要因素。

制定不同成分鈦合金熱處理工藝的主要依據，是它們的合金類型、相變過程、時間一溫度一轉變(T—T—T)曲線和連續冷卻轉變(C—C—T)曲線。根據目的的不同、加熱和冷卻方法的不同以及組織和性能變化的不同，鈦合金的熱處理可以分為普通退火、特種退火和強化熱處理。

普通退火對于α和α+β型鈦合金，應用最廣泛的熱處理方式是普通退火。普通退火的目的是完全消除加工硬化，并使合金的組織和性能均勻化，亦稱為工廠退火。α型和近α型鈦合金退火時，只發生與再結晶過程有關的組織和性能變化，對退火后的冷卻速度不敏感。α+β型鈦合金退火時，還可能發生與亞穩定β相分解有關的組織和性能變化，對退火后的冷卻速度比較敏感。所有鈦合金退火后的強度隨退火溫度升高而降低，而塑性隨退火溫度升高而提高。

普通退火溫度一般選擇接近或在再結晶開始溫度以上和B轉變溫度以下，而消除應力退火溫度一般選擇在再結晶開始溫度以下150～250℃。鈦合金普通退火時，一般只發生回復和多邊形化過程，不出現晶粒尺寸的長大。為了正確制定普通退火規范，必須掌握各種成分鈦合金的再結晶開始、結束溫度和B轉變溫度。板材和板材零件的退火溫度比棒材和鍛件低。為了調整初生“相的含量，在一些新發布的技術標準中規定，普通退火之前，先在B轉變溫度以下30～85℃進行固溶處理。

鈦合金的退火一般在非真空狀態下進行，但有時為了除氫或防止氧、氮等有害氣體的污染，需要進行鈦合金半成品或零件的真空退火。真空退火溫度一般為700～750℃，太高時會使易揮發元素從表面蒸發，形成活性高的表面。

特種退火鈦合金的特種退火包括等溫退火、多重退火和β退火3種。

等溫退火在β轉變溫度以下50～100℃加熱，隨后進行爐冷或轉移到溫度較低的另一爐中，在給定的溫度下保溫一段時間后空冷。等溫退火與普通退火比較，其主要優點是能夠獲得最穩定的組織和性能，例如，中國牌號的Tc₆(Ti一5A1—2Mo一2Cr一1Fe)鈦合金普通退火后，在空冷過程中亞穩定β相能部分地分解，這種不穩定組織在使用溫度下，趨于完全分解并導致合金脆化，故TC。不能采用普通退火。在高溫下長時間工作的TC₆鈦合金零件必須采用等溫退火，其典型規范是：870℃，保溫1h，慢冷至650℃(打開爐門冷卻或轉入另一溫度為650℃的爐中)，保溫2h，空冷。

多重退火包括雙重退火和三重退火，其中最常用的是雙重退火。

雙重退火首先應用于α+β型耐熱鈦合金，例如，中國的Tc₁₁(Ti一6．5Al一3．3Mo一1．5Zr一0．25Si)鈦合金。所采用的雙重退火規范是：950～980℃，1h，空冷；530℃，6h，空冷。雙重退火的特點是，有可能發生由于亞穩定B相的分解而產生的強化過程。當前，雙重退火已經用于航空航天工業中最常用的Ti一6Al一4V鈦合金，其主要目的是提高合金的拉伸強度和斷裂韌性。例如對低間隙元素Ti一6A1—4V鈦合金規定的雙重退火規范是：β轉變溫度以下30～60℃，保溫不少于1h，空冷；705～7"60℃，保溫不少于lh，空冷。

β退火其特點是進行普通退火之前首先在β相區加熱，并以適當的速度冷卻。對于近α型耐熱鈦合金，在采用p相區熱變形的同時，經常采用β退火。通過β退火，可以在不降低其他力學性能的條件下，獲得最大的抗蠕變能力。采用β退火的Ti一6Al一4V鈦合金已經在飛機結構設計中獲得廣泛應用。滿足損傷容限設計要求的Ti一6Al一4V鈦合金厚板的典型β退火規范是：β轉變溫度以上30C，保溫不少于30min，空冷；730℃，保溫不少于2h，空冷。氧含量小于或等于O．12％的、名義厚度為50～100mm的Ti一6Al一4V鈦合金厚板的斷裂韌性指標，在美國1988年發布的AMS4905A標準中達到93MPa•m^1/2。

強化熱處理鈦合金的固溶時效強化效果，主要取決于合金中β穩定元素的種類和含量。亞穩定β型和近β型鈦合金是強化效果最好、淬透截面最大的鈦合金。

固溶處理有兩種固溶處理方式，即β固溶處理和α+β固溶處理。β固溶處理是在β轉變溫度以上30～100℃，保溫10～30min，空冷或水淬，主要適用于亞穩β型鈦合金，例如Ti一13V—llcr一3Al，Ti一3Al一8V一6c卜4Mo一4zr和Ti一15V一3Cr3Sn一3Al等。α+β固溶處理是在B轉變溫度以下30～60HC、保溫30～120min，水淬，主要適用于近B型鈦合金，例如Ti—11．5Mo一4．5Sn一6Zr和Ti一10V一2Fe一3A1等。

單一時效一般在450～550℃進行，時效時間一般為8h。根據合金性質的不同，時效過程中可能發生以下轉變。

對于亞穩定β型鈦合金：

β→β+β＇→β+β＇+α→β+α

對于近β型鈦合金：

β→β+ω→β+ω+α→β+α

如果時效溫度降低到400℃，完成以上轉變過程，需要相當長的時間(大于50h)，最終得到非常均勻細小的a相顆粒。如果時效溫度接近600℃，會導致α相直接從β相中析出，α相顆粒的尺寸和數量主要取決于時效溫度和時間。

雙重時效共分兩步進行，第一步為低溫時效，第二步為高溫時效。雙重時效與單一高溫時效相比較，可以控制α相析出的顆粒尺寸和分布，與單一低溫時效比較，能顯著縮短時效時間。這種時效已經成功地應用于Ti一11．5Mo一4．5Sn一6Zr鈦合金。在一些新的亞穩定B型鈦合金中，還采用了先高溫時效后低溫時效。

直接時效對于直接時效，不需要進行預先的固溶處理。直接時效的特點是，在晶體缺陷密度較高的情況下，發生相變過程。直接時效能夠獲得比常規固溶時效更均勻的α相析出和更大的強化效果。在一些近β型鈦合金中，直接時效還能抑制ω相的析出，避免合金脆化。