摘要：真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無污染、表面質(zhì)量好、變形微小等突出特點，是當(dāng)前國際熱處理技術(shù)發(fā)展的熱點。真空固溶處理、真空時效、真空退火是鈦合金幾種典型的熱處理工藝。本文描述了立式真空水淬爐的研究內(nèi)容及應(yīng)用前景，介紹了立式真空水淬爐的結(jié)構(gòu)及工藝特點，闡明該技術(shù)重要特征之一是鈦合金零件真空加熱后最長水淬火延遲時間小于6秒；特征之二是熾熱的工件進入水槽后產(chǎn)生大量水蒸汽對加熱室無影響，對真空系統(tǒng)及泵組無污染；特征之三實現(xiàn)鈦合金零件及其它材料真空加熱下水淬火的光亮固溶處理工藝，并指出立式真空水淬是未來鈦合金真空熱處理的主要發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞：真空熱處理；立式真空水淬爐；淬火轉(zhuǎn)移時間短；無污染；光亮固溶處理

立式真空水淬爐是源于鈦合金材料在航天航空領(lǐng)域大量使用而研發(fā)制造的，主要針對α+β型鈦合金材料真空加熱之后快速淬火（固溶處理）的一種新型高端熱處理設(shè)備。眾所周知，鈦的密度為4.51g/cm³，鈦合金很輕，如Ti-6Al-4V的密度僅為4.42 g/cm³，鈦合金材料經(jīng)固溶處理再時效強化后的比強度遠(yuǎn)高于高強度鋁合金、鎂合金、高溫合金和高強度結(jié)構(gòu)鋼，甚至與超高強度鋼相當(dāng)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、船舶、生物醫(yī)用、化工、汽車等領(lǐng)域。如美國F-22戰(zhàn)機上鈦合金的用量已高達(dá)41%，而鋁合金和鋼的用量分別只有15%和5%。

真空油淬、真空高壓氣淬是材料熱處理的主要方式之一，真空油淬嚴(yán)重影響鈦合金質(zhì)量，高壓氣淬冷卻速度不能滿足鈦合金固溶處理的要求，真空水淬是唯一賦予鈦合金固溶強化的關(guān)鍵技術(shù)。立式真空水淬冷卻速度快、固溶強化效果好，已成為業(yè)界競相研究開發(fā)的熱點。

中國是一個鈦工業(yè)大國，鈦的加工量已經(jīng)達(dá)到3萬噸/年，目前鈦合金應(yīng)用不再局限于宇航業(yè)及軍工業(yè)大量使用，而是逐漸趨于民用化、國際化，依據(jù)鈦合金發(fā)展趨勢，與之配套的生產(chǎn)設(shè)備制造技術(shù)也必須得以相應(yīng)發(fā)展。鑒于這一發(fā)展要求，湖南頂立科技股份有限公司開發(fā)了VVWQ系列立式真空水淬爐設(shè)備技術(shù)，專門用于鈦合金材料真空熱處理。設(shè)備除具備高真空加熱，水介質(zhì)中淬火固溶外，還精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉(zhuǎn)移時間，最大限度地減少零件的熱處理畸變，經(jīng)真空熱處理后鈦合金工件表面光亮，該設(shè)備技術(shù)為α+β型鈦合金材料所制造的結(jié)構(gòu)零件完成在水介質(zhì)中固溶處理工藝提供了最佳的解決方案和手段，為鈦合金材料熱處理強化技術(shù)提供了不可多得的設(shè)備保障。

1 鈦合金的熱處理強化

1.1 鈦合金的分類

鈦合金可分為三類，鈦合金分類的三維相圖是較為明顯的示意圖，見圖1所示。

圖1 鈦合金分類的三維示意相圖

α鈦合金，包括工業(yè)純鈦，TA5(Ti-4Al-0.005B)、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)等，該類合金不能通過熱處理強化，只能退火，組織穩(wěn)定，常溫強度不高。

近α鈦合金，該合金含有少量的β穩(wěn)定元素（2%），組織中含有7%-15%的β相，如材料牌號：TC1(Ti-2Al-1.5Mn)、 TC2(Ti-4Al-1.5Mn)，該類材料對熱處理制度不敏感。

α+β鈦合金，又稱馬氏體α+β型鈦合金，含有15%-40% β相，典型代表材料TC4(Ti-6Al-4V)、熱強鈦合金TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)、制造緊固件的典型代表材料TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)等，它們可以通過熱處理強化，即：固溶處理+時效（彌散強化）。

亞穩(wěn)定β型鈦合金，材料含有臨界濃度的β穩(wěn)定元素。該類合金經(jīng)退火后具有良好的加工性，可以熱處理強化，經(jīng)淬火+時效處理后可以達(dá)到很高的強度，并且亞穩(wěn)定β型鈦合金在室溫強度、斷裂韌性和淬透性優(yōu)于α+β鈦合金，典型代表材料牌號TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)、TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)和TB8（Ti-15Mo -3Al-2.7Nb-0.2Si），TB8(β21s)鈦合金為高強度鈦合金，高溫性能良好，具有優(yōu)良的冷軋和冷成型性，是公認(rèn)的用于飛機上高強度彈簧材料。

穩(wěn)定β型鈦合金，β穩(wěn)定元素的含量超過一定數(shù)值后β轉(zhuǎn)變溫度就會降到室溫以下，金相組織為單相β組織，代表牌號美國Alloy C(Ti-35V-15Cr)

1.2  鈦合金冷卻過程的相變

鈦合金被裝入真空爐加熱后，精確控制鈦合金零件冷卻的相變過程，從而得到不同的組織結(jié)構(gòu)。熱處理強化的基礎(chǔ)是鈦合金加熱及冷卻產(chǎn)生相變，鈦合金自高溫快速冷卻時，發(fā)生馬氏體相變，β相可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（六方馬氏體α＇或斜方馬氏體α＇＇）、ω相或過冷β相（即β＇）。以Ti-5Cr-3Al鈦合金為例[5]，闡明亞穩(wěn)定β相等溫轉(zhuǎn)變過程，如圖2所示。

圖2 鈦合金Ti-5Cr-3Al的時間-溫度-轉(zhuǎn)變相圖

從圖2中可以看出，冷卻時β相發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果工藝過程要得到馬氏體相變，只有加大冷卻速度：當(dāng)合金從固溶溫度快速冷卻（水中淬火），β相→α＇（hcp，馬氏體）；當(dāng)冷卻速度較慢時（油中冷卻），部分β相→ω相（三角結(jié)構(gòu)）；當(dāng)冷卻速度更低時（加壓充氣冷卻），β相→α＇+ω；當(dāng)冷卻速度非常低時（空氣冷卻），β相→α+β；在520 ℃～720 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)冷卻速度非常緩慢（或在共析溫度以下長時間等溫加熱），發(fā)生共析分解β相→α+TiCr2(化合物)，即α相在原始的β相界形核并長大。

因此，實現(xiàn)鈦合金材料的熱處理強化，淬火是鈦合金熱處理強化的必要前提，淬火過程的冷卻速度起決定因素。

1.3 鈦合金熱處理強化特點

鈦合金在加熱和冷卻過程中會發(fā)生相變，對于不同合金體系可以通過控制其各自的相變過程，從而得到不同的組織結(jié)構(gòu)。通過不同介質(zhì)的鈦合金冷卻試驗，可以發(fā)現(xiàn)鈦合金熱處理強化特點主要表現(xiàn)為：

（1）淬火過程應(yīng)盡量避免形成ω相，ω相會使材料變脆，當(dāng)然，采用高溫時效可使ω相分解；

（2）反復(fù)熱處理相變不能細(xì)化鈦合金晶粒，這點不同于鋼鐵材料；

（3）α+β型鈦合金熱處理淬火后淬透性不高，淬火熱應(yīng)力大，很易引起長桿狀零件變形，因此長桿狀工件只能豎向裝入爐內(nèi)加熱，并縱向進入淬火介質(zhì)內(nèi)，基于工件減少變形研發(fā)的立式真空淬火爐為鈦合金熱處理過程適當(dāng)?shù)販p少淬火變形提供了條件；

（4）馬氏體相變不能使鈦合金得到強化，只能通過淬火時形成的穩(wěn)定相（包括馬氏體相）的時效分解，即彌散強化。熱處理強化對α鈦合金是無效的，熱處理強化主要用于α+β型鈦合金和β型鈦合金。

2 加熱/冷卻方式對鈦合金熱處理強化的影響

2.1 鈦合金強化的熱處理工藝

鈦合金熱處理強化工藝如圖3所示。鈦合金固溶處理溫度越高，經(jīng)時效后彌散強化效果越明顯，但是如果溫度高于β轉(zhuǎn)變溫度（即相變點）淬火，因α相消失，β相晶界移動加快，會引起晶粒過分粗大而導(dǎo)致脆性。實際證明，固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點30 ℃～110 ℃合理選擇，對于合金元素較低的α+β型鈦合金選用較高溫度淬火，以便得到更多的馬氏體相。合金元素較高的α+β型鈦合金選用較低溫度淬火，以便得到較多的亞穩(wěn)β相，經(jīng)時效后強化效果更明顯。此外，保溫時間延長對鈦合金組織影響不敏感。

圖3鈦合金熱處理工藝示意圖

1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時效

2.2 真空加熱環(huán)境對鈦合金熱處理的影響

Ti是一種化學(xué)活性很高的金屬，在高溫下Ti很容易與C、N、O、H等發(fā)生強烈反應(yīng)，并對鈦合金材料本身性能帶來不利影響，例如鈦合金與O反應(yīng)使材料表面形成富氧層，使之性能下降；鈦合金加熱時容易吸H，引起氫脆。

真空狀態(tài)下加熱是最理想的“氣氛”，見表1。

表1數(shù)據(jù)說明，真空狀態(tài)下加熱實質(zhì)上是在非常稀薄的氣氛下加熱，當(dāng)熱場真空達(dá)到10-3 Pa時，可以實現(xiàn)鈦合金的光亮處理。

本文所論述的真空水淬爐采用無碳元素的金屬屏熱場，輔以高真空加熱友好環(huán)境，爐膽的加熱元件為鉬鑭合金帶，隔熱屏是由鉬屏+不銹鋼屏組成復(fù)合隔熱屏，對鈦合金而言是一個清潔的加熱場；真空系統(tǒng)配置了三級泵組，即：機械泵+羅茨泵+擴散泵，可以得到相當(dāng)雜質(zhì)含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環(huán)境，為鈦合金光亮、無氧化熱處理強化提供安全保障。

2.3 熱場爐溫均勻性對鈦合金熱處理的影響

鈦合金導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)只有鐵的1/5，如果熱場爐溫均勻性不夠，很容易造成零件局部溫度過高，致使局部過熱，超過β轉(zhuǎn)變點形成魏氏組織。

立式真空水淬爐選用950℃進行爐溫均勻性測試，9點測溫，設(shè)備熱場測試結(jié)果見圖4。型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐熱場有效區(qū)內(nèi)爐溫均勻性達(dá)到了≤±3 ℃。

圖4 立式真空水淬爐爐溫均勻性測試示意圖

2.4  冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶過程的影響

真空熱處理技術(shù)是根據(jù)組織性能要求和構(gòu)件材料的相變規(guī)律，選擇適合的冷卻介質(zhì)，使得真空加熱的材料和構(gòu)件在真空環(huán)境下按照要求的冷卻速度冷卻至出爐溫度。真空熱處理常用冷卻介質(zhì)包括：真空淬火油、非含氧氣體以及水，選擇不同的冷卻介質(zhì)具有不同的冷卻速率，如圖5所示。

圖5 鈦合金固溶處理冷卻方式圖

真空油淬冷卻利用的冷卻介質(zhì)為真空淬火油，該技術(shù)可以替代鹽浴、氣氛保護熱處理，在獲得理想的心部組織和力學(xué)性能的同時，保證表面的光潔，特別適用于中、高合金鋼的淬火[7]。目前，真空油淬技術(shù)在我國熱處理行業(yè)應(yīng)用廣泛，通過長期的設(shè)備、工藝、淬火油品質(zhì)的改進，真空油淬技術(shù)較為成熟。但是，由于其冷卻速率較慢（低于水淬），在鈦合金熱處理過程中如果控制不得當(dāng)，容易形成脆性ω相；另一方面，鈦合金工件高溫加熱入油后，在工件表面與油蒸汽接觸反應(yīng)瞬間形成增碳，不利于鈦合金性能的提高，因此不太適用于鈦合金的真空熱處理。

真空氣淬冷卻利用的非含氧型氣體作為冷卻介質(zhì)，其特點是在一定范圍內(nèi)，隨著爐內(nèi)氣體壓力的提高，冷卻速度可以隨之提高。真空氣淬常用的冷卻氣體是：N2、H2、He和Ar，它們的導(dǎo)熱能力有很大差別，H2的冷卻能力最強，He次之，N2第三，Ar最次。使用40bar H2超高壓氣淬，其冷卻速度可以接近水淬速度，但H2使用較為危險，同時鈦合金高溫時容易吸H，引起氫脆，因此不能作為鈦合金真空熱處理的冷卻介質(zhì)；使用20bar He超高壓氣淬，其冷卻速率介于油和水之間，可以取代真空油淬，但He和Ar價格太高，淬火后還需考慮回收，熱處理成本過高而不能作為鈦合金真空熱處理的主要冷卻介質(zhì)；N2廉價、安全，但是冷卻能力較差，且高溫下與Ti發(fā)生強烈反應(yīng)，降低鈦合金材料性能。該技術(shù)也不適用于鈦合金固溶強化處理。

真空水淬技術(shù)用水作為淬火介質(zhì)，特別適用于鈦合金工件的固溶處理。真空水淬的工件在真空條件下完成無氧化加熱之后，迅速轉(zhuǎn)移至淬火水槽，得到所需的固溶組織。目前國際上發(fā)達(dá)國家正在研究鈦合金真空水淬的新工藝與新裝備，試圖降低鈦合金真空熱處理生產(chǎn)成本，改善性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

中國某公司使用型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐對鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質(zhì)的冷卻實驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鈦合金固溶處理金相照片(a) 水冷; (b) 油冷; (c)空冷

綜上所述，選擇不同的冷卻介質(zhì)對鈦合金固溶處理的組織結(jié)構(gòu)影響較大，只有淬火介質(zhì)選擇水，快速冷卻才會得到理想的馬氏體相變，淬火冷卻速度決定固溶質(zhì)量，對鈦合金彌散強化起至關(guān)重要的作用。

3 真空水淬爐研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1 臥式真空水淬爐的局限

目前，鈦合金真空水淬主要采用傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐。傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐由臥式真空油淬爐演變而來，不同之處在于淬火介質(zhì)由油改成了水，這樣帶來了諸多缺點：

1、工件轉(zhuǎn)移時間長（大于10s，如圖7所示）；

2、污染加熱室；

3、真空泵油乳化，污染環(huán)境；

4、需氬氣洗爐，運行成本高。

圖7 臥式真空水淬爐工件轉(zhuǎn)移過程軌跡示意圖

鑒于此，頂立科技開發(fā)了新一代VVWQ系列立式真空水淬爐設(shè)備，專門用于鈦合金材料的真空熱處理。該設(shè)備除了具有高真空加熱，水介質(zhì)中淬火固溶外，還能夠精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉(zhuǎn)移時間，最大限度地減少零件的熱處理畸變，經(jīng)真空熱處理后鈦合金工件表面光亮，為鈦合金材料熱處理強化技術(shù)提供了設(shè)備保障。

3.2 立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)及特點

立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示：

圖8 立式真空水淬爐結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：

最高溫度：1 350 ℃；工作范圍：550℃ ~ 1 250 ℃；溫度均勻性：≤±3 ℃；加熱室真空度：≤5×10-3 Pa；加熱室壓升率：≤0.5 Pa/h；淬火室真空度：≤10 Pa；淬火室壓升率：≤0.5 Pa/h；淬火延遲時間：≤6 s；淬火介質(zhì)溫度：10-15 ℃。

3.2.1 加熱室結(jié)構(gòu)及特征

熱室爐殼由雙層鋼板卷筒焊接而成，夾層內(nèi)通冷卻水構(gòu)成冷壁，因此設(shè)備對周邊環(huán)境無任何污染和溫度輻射影響。熱室上裝有向熱場輸入電能的水冷電極接口、引入控溫?zé)犭娕冀涌?、爐溫均勻性測量接口，以及真空系統(tǒng)接口、分壓充氣管路接口、真空規(guī)管座接口和放氣閥等接口。熱場由3層鉬屏和3層不銹鋼屏組成隔熱屏，加熱帶由鉬鑭合金板制成并連接到水冷電極，通過水冷電極引入低電壓大電流的電能，熱場承載框架由不銹鋼金屬板構(gòu)成，使用鉬桿將鉬屏及不銹鋼屏固定在爐膽金屬板上，因此爐膽本身是一個整體式結(jié)構(gòu)。鉬鑭合金加熱帶被均勻布置在爐膽內(nèi)部的四周，模塊化設(shè)計，更換方便。加熱室配置“S”型雙芯熱電偶，1支控制、另1支記錄和保障安全，熱電偶補償導(dǎo)線接通帶有積分比例帶和數(shù)字顯示功能的歐陸2604控溫儀表，通過可控硅調(diào)壓器調(diào)整變壓器一側(cè)電壓進而完成對熱場溫度精確控制，加熱室真空管道連接到由滑閥泵、羅茨泵、擴散泵三級泵組組成的高真空系統(tǒng)，可使熱場真空度達(dá)10-3 Pa級，本加熱室全部為金屬屏組成，對鈦合金而言是一個無碳元素的清潔、理想的熱場。

3.2.2 淬火室結(jié)構(gòu)及特征

淬火室是一個圓筒型特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝淬火水介質(zhì)，配有一套用于橫向轉(zhuǎn)移的機械傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)淬火室三個工位運轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)工位最重要一個是與加熱室的對接工位，只有完成雙室對接，才可完成水介質(zhì)中淬火。淬火室內(nèi)部裝有1套升降機運載系統(tǒng)，用于被處理的鈦合金工件送到加熱室，當(dāng)完成固溶加熱后，升降機將鈦合金工件從加熱室熱場快速轉(zhuǎn)移到淬火水槽內(nèi)，完成固溶淬火處理，轉(zhuǎn)移時間小于6 s。淬火室配有1套獨立的真空系統(tǒng)，目的是確保鈦合金工件在加熱室轉(zhuǎn)移到淬火室的過程中不被氧化，淬火水槽內(nèi)配置水溫傳感器、加熱器、制冷系統(tǒng)、水位傳感器及1套水?dāng)嚢柘到y(tǒng)，以便實現(xiàn)對淬火介質(zhì)溫度的精確控制，水?dāng)嚢柘到y(tǒng)對淬火介質(zhì)強烈攪拌以便提升冷卻效果，給予鈦合金工件更均勻的冷卻。

3.2.3 立式真空水淬爐優(yōu)勢

鈦合金工件加熱、保溫結(jié)束后，由加熱室進入水介質(zhì)，直至工件全部浸沒，完成固溶處理的整個轉(zhuǎn)移過程所耗費的時間為淬火延遲時間。淬火延遲時間理論上越小越好，否則隨著延遲時間的增加，鈦合金工件表面的溫度下降，對鈦合金材料發(fā)生馬氏體相變及顯微組織十分不利，進而影響性能。尤其對α+β鈦合金，實踐經(jīng)驗表明：淬火延遲時間應(yīng)該控制在8s以下，否則組織上的α相將首先在原始β相界形核并長大，嚴(yán)重影響鈦合金淬火狀態(tài)的力學(xué)性能。

圖9為立式真空水淬爐所處理工件從加熱室轉(zhuǎn)移到淬火室的軌跡示意圖。圖示表明：工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理，僅需垂直降落，無∏型運行軌跡，工件運轉(zhuǎn)時間相對縮短，可達(dá)到＜6 s，且無水蒸氣污染真空泵組，相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優(yōu)越性。除此之外，采用立式結(jié)構(gòu)，十分適用于淬透性不強，長桿狀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理，畸變量十分微小。

圖9 立式真空水淬爐工件轉(zhuǎn)移過程軌跡示意圖

3.3  立式真空水淬爐使用效果

中國某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設(shè)備專門處理TC4鈦合金，工件尺寸外形：Φ 20×200 mm，工藝內(nèi)容：固溶+時效（見表2與表3），取得了良好的效果（見表4）。

4 結(jié)論

（1）鈦合金相變強化離不開真空熱處理，尤其是要完成真空水淬工藝（固溶處理），更需要特殊的專業(yè)設(shè)備，VVWQ系列立式真空水淬爐是針對鈦合金相變強化而研制的不可多得的、熱處理配套設(shè)備，設(shè)備熱場使用金屬屏，輔以高真空加熱環(huán)境，徹底杜絕了鈦合金氧化、氫脆等異常現(xiàn)象，較高的熱場爐溫均勻性，對導(dǎo)熱系數(shù)低的鈦合金完成均勻加熱更為適用；

（2）雙室結(jié)構(gòu)上配置可以移動的水淬槽，滿足了鈦合金工件快速進入水介質(zhì)淬火（固溶）熱處理工藝要求，縱向的、垂直移動的特殊設(shè)備結(jié)構(gòu)保證了鈦合金淬火延遲時間小于6 s，并且垂直入水的轉(zhuǎn)移方式為減少長桿狀工件熱處理畸變提供了可能；

（3）設(shè)備經(jīng)特殊設(shè)計，確保工件在淬火過程產(chǎn)生的水蒸汽對加熱室無影響，水蒸汽對真空系統(tǒng)及泵組無污染。經(jīng)過不同廠家實際使用證明，設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進，不僅適用于鈦合金固溶處理，而且還可擴展應(yīng)用于鈹青銅、鋁合金、鎳基及鈷基高彈性合金、410不銹鋼等真空加熱水介質(zhì)固溶處理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（4）傳統(tǒng)的臥式真空水淬爐轉(zhuǎn)移時間較長，已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)代化鈦合金熱處理工藝的要求，立式真空水淬是鈦合金真空熱處理發(fā)展的主要方向之一，立式真空水淬爐是今后真空熱處理裝備發(fā)展的必然趨勢。