胡超课程设计修改1

攀枝花学院 本科课程设计 TC4 钛合金成分及热处理工艺设计 学生姓名 胡 超 学生学号 200911103019 院 系 材料工程学院 年级专业 2009 级冶金工程 指导教师 陈 绿 英 助理指导教师 2012 年 6 月 11 日 攀枝花学院学生课程设计 论文 摘 要 I 摘 要 TC4 钛合金热处理过程中有诸多因素影响 在高温下钛有很高的化学活性 容易为 炉气中的氢 氧 氮 氯等元素化合 对性能产生不良影响 必须予以控制 钛合金 热处理强化效果与合金中 稳定元素的含量及热处理工艺有关 由于钛在高温时异常 活泼 因此钛及钛合金的熔炼 浇铸 焊接和部分热处理都要在真空或惰性气体中进 行 加工复杂 成本昂贵 影响其广泛使用 因此 合适的热处理温度及一系列影响 是获得 TC4 钛合金的基础 本文将介绍 TC4 钛合金化学成分对钢性能的影响以及如何 设计热处理工艺才能满足钢性能的要求 关键字 TC4 钛合金 钛合金 性能 温度 热处理 攀枝花学院学生课程设计 论文 目 录 II 目 录 摘摘 要要 I 1 1 绪论绪论 1 2 2 热处理准备热处理准备 2 2 1TC42 1TC4 钛合金的化学成分钛合金的化学成分 2 2 22 2 化学元素对钛合金热处理的影响化学元素对钛合金热处理的影响 2 2 2 1 氢 2 2 2 2 氧 2 2 2 3 氯化物 2 2 2 3 氮 2 2 32 3 热处理对热处理对 TC4TC4 钛合金性能影响钛合金性能影响 3 3 3 热处理工艺制度热处理工艺制度 4 3 13 1 热处理工热处理工艺艺参数参数 4 3 23 2 热处理热处理工工艺流程艺流程 4 3 2 1 退火 4 3 2 2 固溶处理和时效 5 3 2 3 形变热处理 6 4 4 结论结论 7 参参 考考 文文 献献 8 攀枝花学院学生课程设计 论文 1 绪论 1 1 绪论 钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属 钛合金因具有强度高 耐 蚀性好 耐热性高等特点而被广泛用于各个领域 世界上许多国家都认识到钛合金材 料的重要性 相继对其进行研究开发 并得到了实际应用 20 世纪 50 60 年代 主要 是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金 70 年代开发出一批耐蚀钛 合金 80 年代以来 耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展 钛合金主要用于制作 飞机发动机压气机部件 其次为火箭 导弹和高速飞机的结构 另外 20 世纪 70 年代 以来 还出现了 Ti Ni Ti Ni Fe Ti Ni 等形状记忆合金 并在工程上获得日益广泛 的应用 目前 世界上已研制出的钛合金有数百种 最着名的合金有 20 30 种 如 Ti 6Al 4V Ti 5Al 2 5Sn Ti 2Al 2 5Zr Ti 32Mo Ti Mo Ni Ti Pd SP 700 Ti 6242 Ti 10 5 3 Ti 1023 BT9 BT20 IMI829 IMI834 等 但是 由于钛 在高温时异常活泼 因此钛及钛合金的熔炼 浇铸 焊接和部分热处理都要在真空或 惰性气体中进行 加工复杂 成本昂贵 影响其广泛使用 在高温下钛有很高的化学 活性 容易为炉气中的氢 氧 氮 氯等元素化合 对性能产生不良影响 必须予以 控制 攀枝花学院学生课程设计 论文 2 成分和热处理工艺对 TC4 钛合金的影响 2 2 成分和热处理工艺对 TC4 钛合金的影响 2 1 TC4 钛合金的化学成分 TC4 含钛 Ti 余量 铁 Fe 0 30 碳 C 0 10 氮 N 0 05 氢 H 0 015 氧 O 0 20 铝 Al 5 5 6 8 钒 V 3 5 4 5 2 2 化学元素对钛合金热处理的影响 2 2 1 氢 合金中含氢量通常限制在 H 0 15 0 2 以下 超过限量时 可能导致氢脆 颇断 加热最好在真空炉中进行 在盐浴炉和空气电炉中加热尚可 在燃烧炉中加 热时 火焰不能直接喷向工件 应将炉气调整成中性或略带氧化性 2 2 2 氧 在热处理加热时 钛与氧作用会生成氧化膜 其厚度与温度的关系 见表 1 1 此外 氧向内部扩散形成富氧的 层 其厚度一般可达 40 80 m 富氧 层的 塑性很差 在使用时易剥落 可通过机械加工予以清除 精密的细薄件一般采用真 空 惰性气体介质加热或涂层保护 表 1 1 工业纯钛在不同温度下于空气中加热半小时后的氧化膜厚度 温度 氧化膜厚度 温度 氧化膜厚度 316极薄816 0 025 427极薄871 0 025 538极薄927 0 051 6490 0059820 051 7040 00510330 102 7600 007610930 353 2 2 3 氯化物 加热至 290 以上 在氯盐和应力作用下 钛合金会产生应力腐蚀 应力腐蚀程度 与时间 温度和应力大小有关 氯化物的离子可能来源于指痕和清洗液 在热处理前 后搬运和清洗工件时要特别注意 2 2 4 氮 钛合金如吸收大量氮 会使塑性显著下降 但钛合金在热处理过程中吸收氮的速 度比吸收氧的速度慢得多 不致造成严重影响 攀枝花学院学生课程设计 论文 2 成分和热处理工艺对 TC4 钛合金的影响 3 2 3 热处理对 TC4 钛合金性能的影响 经不同工艺热处理后 合金的力学性能发生明显变化 退火处理后 合金的强度 和硬度稍有降低 但延长率和断面收缩率显著提高 固溶时效处理后的力学性能与退 火处理相比 强度和硬度明显提高 但塑性则降低 这是由于退火后的冷却速度对 和 的比例产生影响 进而得到比较稳定的常温组织 其塑性较高 固溶淬火后 形成针状马氏体 和亚稳 相部分发生分解 转变成稳定的弥散的 相和 相 其强度和硬度比炉冷的高 但塑性则比炉冷的低 合金的综合性能得到改善 由此可 得出结论 TC4 合金退火后炉冷 两个相都发生再结晶 相发生再结晶 在其变形的基 体内析出多边形的小晶粒 在再结晶的 相中析出次生 得到 转变组织的基体 上分布着 相的组织 且组织较为均匀 由于消除了内应力 使塑性和组织稳定性提 高 但强度和硬度有所降低 固溶淬火后 片的长宽比减小 笔直的 片发生了扭曲 连续的 相界被 破坏 形成薄片或网篮状的 相 从高温区进行快速冷却时来不及转变成 相 而形成亚稳态的 相 室温组织为马氏体 和亚稳态 相 强度和硬度有所提高 但塑性降低很多 固溶时效后 马氏体 和亚稳态 相部分发生分解 转变成稳定的弥散的 相和 相 其强度和硬度比炉冷的高 但塑性则比炉冷的低 合金的综合性能获得 改善 攀枝花学院学生课程设计 论文 3 热处理工艺制度 4 3 热处理工艺制度 3 1 热处理工艺参数 表 3 1 TC4 钛合金热处理工艺 材料工艺名称工艺参数 普通退火780 10 保温 1 1 5 小时 空冷 840 10 保温 1 1 5 小时 随炉冷 等温退火 550 10 保温 1 1 5 小时 空冷 950 10 保温 0 5 1 小时 水冷 固溶 时效 540 10 保温 4 4 5 小时 空冷 950 10 保温 0 5 1 小时 水冷 TC4 固溶 过时效 700 10 保温 2 2 5 小时 空冷 TC4 是一种典型的 型钛合金 其主要合金元素为 A1 和 V 其中 A1 是稳定的 相的元素 V 是稳定 相的元素 与 相变温度约为 980 990 TC4 合金的退火温度在相变点以下 150 200 或更低 它的主要目的是消除合金变形加 工中产生的加工硬化 使组织和性能均匀 稳定 在室温下具有适当的韧性 生产中对 TCA 合金叶片多道次轧制中间等温退火工艺的应用中得到认证 若使用 普通退火工艺则会出现叶片轧碎的现象 但是等温退火所需的时间太长 整个工艺时 间长达 22 小时以上 经过两种工艺处理后的 TC4 合金组织并未发生变化仍为转变 相基体上分布着等轴初生 相的双态组织 这种组织是热变形加工留下来的 3 2 热处理工艺流程 3 2 1 退火 退火的目的是消除由于压力加工 焊接 机械加工等造成的内压力 提高塑性 保证一定的力学性能 稳定组织 常用的退火方式有消除应力退火及完全退火 有时 还采用等温退火 双重退火和真空除氢退火等 1 消除应力退火 消除应力退火的目的是消除在冷加工 冷成形及焊接等工艺过程中造成的内应力 在这种退火的过程中金属内部要发生回复 有时也称不完全退火 退火温度应低于合 金的再结晶温度 一般在 450 650 之间 退火保温时间取决于工件截面尺寸 残留 应力大小 加工历史及希望消除内应力的程度 对机械加工件一般为 1 5 2h 焊接件 为 2 12h 退火温度越高 保温时间越长 内应力消除得越彻底 攀枝花学院学生课程设计 论文 3 热处理工艺制度 6 2 完全退火 完全退火的目的是使钛合金的组织和性能均匀 在室温下具有适当的韧性和最大 的伸长率 对于耐热合金是使其在高温下具有尺寸和组织的稳定性 大部分 和 型钛合金是在完全退火状态下使用的 型钛合金在完全退火过程中主要是发 生再结晶 退火温度一般选择在 相区内 约在 相变点以下 120 200 温度过高会引起不必要的氧化和晶粒长大 温度过低则再结晶不完全 退火后再空气中冷却 3 等温退火和双重退火 等温退火适用于 相稳定化元素含量较高的 钛合金 由于 相稳定性高 空冷不能保证 相充分分解 常采用等温退火 双重退火是为了改善 钛合金的 塑性 断裂韧度和组织稳定性 采取两次加热后空冷 第一次加热温度高于或接近再 结晶终了温度 使再结晶充分进行 但又不使晶粒明显长大 空冷后的组织尚不稳定 需要第二次再加热至稍低的温度 保温较长的时间 使 相充分分解 聚集 以保证 工件长期工作过程中组织稳定 4 真空除氢退火 当钛合金中的氢含量超过规定值时 有导致氢脆的危险 必须在真空炉中进行除 氢退火 对于不再进行加工或要求精密尺寸公差的薄壁件 也采用真空退火处理 真 空处理时 焊接件表面易于腐蚀 晶粒长大倾向严重 退火温度不宜过高 时间不宜 过长 3 2 2 固溶处理和时效 1 固溶加热温度 固溶加热温度应根据合金成分及所要求的性能来确定 钛合金常在 相 区加热 对于亚稳 型钛合金 应在稍高于 转变点的温度加热 以免晶粒过分长 大 2 保温时间 固溶处理温度通常都比较高 氧化比较严重 在热透的前提下应尽可能缩短加热 时间 保温时间可按下列公式计算 T 5 8 AD 式中 T 保温时间 min A 保温时间系数 3min mm D 工件有效厚度 mm 3 淬火转移时间 相稳定化元素含量较少的 钛合金 其 到 转变迅速 转移时间超过 2s 便会导致 相析出 使力学性能下降 合金中 相稳定化元素含量较多时 转移 攀枝花学院学生课程设计 论文 3 热处理工艺制度 7 时间可相应延长 型钛合金甚至在空气中冷却也可得到单一 相组织 4 淬火介质 水是应用最广泛的介质 高闪点 低粘度的油也可使用 厚度在 4mm 以下的板材 可在盐槽中淬火 可使用亚硝酸盐或硝酸盐 但不能使用含有氯化物的盐类 5 时效 时效规范的选择取决于对合金力学性能的要求 Ti 6A1 4V TC4 合金在 500 时效 强度最高 在 540 时效后的强度和伸长率均较好 在 675 时效可得到较高的断裂韧 度 3 2 3 形变热处理 钛合金的形变热处理有两种方法 即高温形变热处理和低温形变热处理 这两种 形变热处理可以分别进行 也可以组合进行 形变热处理不但能显著提高钛合金的室 温强度和塑性 也可以提高合金的疲劳强度和热强性以及抗蚀性 形变热处理能够改善合金力学性能的原因是变形可使晶粒内部位错密度增加 晶 粒及亚晶粒化 促进了时效过程中亚稳相的分解 析出相能均匀弥散分布 形变时基 体发生多边化 形成稳定的亚组织 对提高合金的室温及高温性能也有一定贡献 影响形变热处理强化效果的因素主要是合金成分 形变温度 变形程度 冷却速 度及随后的时效规范 合金中 相稳定化元素含量增加时 淬火后亚稳 相的数量 增加 使形变热处理效果增大 变形程度的影响规律比较复杂 一般是加大变形程度 时 时效效果增加 型钛合金形变热处理时 在形变后采用水冷 型钛合金 可采用空冷 形变加工完毕至水冷之间的时间间隔应尽量缩短 低温形变热处理应在淬火后快速加热至变形温度 以防止塑性较好的亚稳 相过 早分解 过热 相在其稳定性最低的温度下分解孕育期约为 5min 变形要在 5min 内完成 亚稳 相的低温变形有利于随后时效分解 型钛合金多采用高温形变 热处理 在稍低于 相变点的温度变形 40 70 然后水冷 可获得最好的强化效果 攀枝花学院学生课程设计 论文 3 热处理工艺制度 8 攀枝花学院学生课程设计 论文 结 论 7 结 论 综合以上考虑 TC4 钛合金成分及热处理工艺结论如下 选择合适的退火方式及与其对应的退火温度 对于固溶加热温度 钛合金常 在 相区加热 对于亚稳 型钛合金 应在稍高于 转变点的温度加热 以免 晶粒过分