鈦合金應(yīng)用情況

鈦合金作為一種重要結(jié)構(gòu)金屬，具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁、耐海水和海洋大氣腐蝕等優(yōu)良綜合性能，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、艦船、兵器、核、化工、海水淡化、醫(yī)療器械、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，對于裝備輕量化，提升裝備服役性能具有重要意義，是國防強(qiáng)國的重要戰(zhàn)略材料之一。

鈦合金的類型與性能有較好的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。例如，α鈦合金具有較高的耐熱性和可焊性，而β鈦合金具有較高的室溫強(qiáng)度和冷成形性，α+β兩相鈦合金則具有較好的綜合性能。

圖1 各類鈦合金的主要特征

鈦合金熱處理

熱處理是鈦及鈦合金加工過程中優(yōu)化組織和性能的重要環(huán)節(jié)。選擇適宜的鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)及工藝，是鈦及鈦合金產(chǎn)品獲得滿足使用用途的組織和性能最佳匹配關(guān)系的重要條件。

圖2 鈦合金熱處理工藝

目前工業(yè)上常用的熱處理工藝如下：

· 普通退火：在合金β轉(zhuǎn)變溫度以下20℃～250℃的溫度下加熱后空冷或更慢冷。

· 完全退火：在高于再結(jié)晶溫度但低于β轉(zhuǎn)變溫度下加熱、保溫，然后空冷或爐冷的熱處理。

· 雙重退火：在完全退火后，空冷至合金β轉(zhuǎn)變溫度以下250℃～450℃的溫度下加熱后空冷。

· 等溫退火：在合金的β轉(zhuǎn)變溫度以下20℃～160℃的溫度下加熱、保溫，隨后轉(zhuǎn)移到β轉(zhuǎn)變溫度以下350℃～450℃的爐中或隨爐冷卻至此溫度保溫后空冷或爐冷。

· β退火：在合金的β轉(zhuǎn)變溫度以上適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行退火。

· 消除應(yīng)力退火：使產(chǎn)品殘余應(yīng)力減少又不引起組織再結(jié)晶的熱處理。

· 固溶處理：將合金加熱到適當(dāng)溫度，并在這一溫度保持足夠時間使可溶組分完全溶入固溶體，在淬火以后能保持一種不穩(wěn)定狀態(tài)的熱處理。

· 時效處理：經(jīng)固溶處理后在適當(dāng)溫度保持足夠時間，使其從不穩(wěn)定固溶體中析出第二相而引起強(qiáng)化的熱處理。也可使合金中的金屬間化合物析出達(dá)到高強(qiáng)化。

· 熱等靜壓處理：在密封容器中，通過高溫和高壓（氬氣介質(zhì)）的同時作用，使鈦及鈦合金經(jīng)受高溫和各向均等的靜壓應(yīng)力工藝過程，以減少或去除鈦及鈦合金的內(nèi)部氣孔、疏松等缺陷。

鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1、國內(nèi)鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國鈦及鈦合金熱處理專用標(biāo)準(zhǔn)包含1項國家標(biāo)準(zhǔn)、1項國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和3項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中包含的材料牌號、品種、熱處理方式見表1。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了部分常用鈦合金牌號的熱處理制度、設(shè)備、工藝與質(zhì)量控制等相關(guān)要求。

表1 國內(nèi)鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)

2、國外鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

美國

美國鈦及鈦合金熱處理行業(yè)級以上標(biāo)準(zhǔn)有AMS 2801B-2014《Heat Treatment of Titanium Alloy Parts》和AMS-H-81200D-2014《Heat Treatment of Titanium and Titanium Alloys》，涉及主要牌號、品種及熱處理方式見表2。標(biāo)準(zhǔn)中除相關(guān)熱處理制度規(guī)定外，還對熱電偶、爐溫均勻性控制要求、熱處理介質(zhì)、輔助裝置、淬火槽、熱處理步驟、熱處理后的材料測試步驟做出了規(guī)定。

表2 國外鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯

俄羅斯關(guān)于鈦合金通用熱處理標(biāo)準(zhǔn)主要為ПИ1.2.139-80《變形鈦合金零件和組裝單元的真空熱處理》和No.685-76《變形鈦合金半成品和零件的熱處理》。主要針對俄羅斯常用的ОТ4、ОТ4-0、ОТ4-1、ПТ-7М、ВТ3-1、ВТ6С、ВТ14、ВТ16、ВТ20等變形鈦合金零件和半成品，規(guī)定了真空熱處理制度、質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備、熱處理前零件和工裝的準(zhǔn)備等技術(shù)要求。采用的真空熱處理方式有除氫退火、不完全退火、完全退火、雙重退火、等溫退火、淬火加時效、時效。

存在問題

隨著鈦合金在航空、航天、船舶、兵器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛且對其性能和質(zhì)量穩(wěn)定性要求越來越嚴(yán)格，鈦合金熱處理已作為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重點(diǎn)。由于中國的鈦工業(yè)進(jìn)程起步較晚，標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠健全，鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)存在以下問題：

1）國內(nèi)現(xiàn)有鈦及鈦合金熱處理專用標(biāo)準(zhǔn)未能覆蓋各領(lǐng)域通用的鈦合金牌號，標(biāo)準(zhǔn)更新速度慢，已無法滿足武器裝備應(yīng)用要求。如TA31鈦合金，由于其高強(qiáng)韌、耐腐蝕、耐沖擊、強(qiáng)可焊性的特點(diǎn)，在船舶、兵器等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，但在鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)中未對TA31鈦合金的熱處理制度進(jìn)行規(guī)定。

2）鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)對工藝及質(zhì)量要求不全面，工藝控制、工藝文件、數(shù)據(jù)記錄、偏離項控制、特殊過程要求是鈦合金熱處理質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，但在鈦及鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)中未能系統(tǒng)地給出相關(guān)要求。如GJB 3763-1999標(biāo)準(zhǔn)中分別在要求、質(zhì)量保證規(guī)定章節(jié)對表面污染、真空除氫、記錄及不合格品處理提出了要求，對重復(fù)熱處理次數(shù)、人員資質(zhì)、特殊過程等要求沒有給出相關(guān)規(guī)定。

建議

鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)是鈦合金生產(chǎn)工藝的重要技術(shù)文件，是實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)全面管理的有效措施。鈦合金實(shí)際生產(chǎn)中主要以材料規(guī)范中的推薦熱處理制度為主要參考，輔助以鈦合金熱處理專用標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其工藝及質(zhì)量要求等。鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)需要在完善標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求的同時，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)管理及貫徹實(shí)施工作，具體建議如下：

1）及時對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行修訂，結(jié)合市場需求納入各領(lǐng)域廣泛使用的通用牌號，同時對熱處理設(shè)備、檢驗(yàn)、質(zhì)量控制及技術(shù)安全等相關(guān)要求進(jìn)行優(yōu)化。

2）加強(qiáng)鈦合金熱處理相關(guān)專用標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的貫徹實(shí)施工作，標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作后應(yīng)在實(shí)施人員及質(zhì)量人員中做好標(biāo)準(zhǔn)的宣講工作，將標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容貫徹到鈦合金熱處理工藝中，與相關(guān)材料規(guī)范配合使用，穩(wěn)定材料生產(chǎn)。