钛合金热处理后产生富氧α层问题综述

钛合金热处理后产生富氧a层问题综述2.空装驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁沈阳110034摘要：钛合金在热处理后表面会吸附气氛中的氧形成富氧a层。本文对钛合金富氧a层的微观组织、控制手段和影响因素进行了综述，通过金相照片观察钛合金富氧a层为一条包含a相的白亮层，其显微硬度明显高于基体，钛合金热处理时的温度和保温时间是影响其产生富氧a层的主要因素，富氧a层的存在影响材料的使用性能，甚至造成零件失效。关键词：热处理；a层；氧化1刖言钛合金是一种重要的航空航天结构材料，钛合金零部件通常需要进行高温热加工或热处理，在热加工或热处理过程中，钛合金表面会吸附气氛中的氧形成富氧a层，富氧a层的存在通常不利于钛合金的使用，缩短合金的使用寿命。已有研究表明富氧a层的存在会严重降低某些零件的应力承载能力，更易导致材料断裂［1。在载荷作用下，硬且脆的富氧a层会诱导裂纹萌生，在钛合金表面形成裂纹源并随着使用时间的延长和使用过程中应力分布情况等因素继续扩展，最终造成零件断裂。因此，研究钛合金热处理后的微观组织，探究热处理工艺对富氧a层的影响机理，有助于控制钛合金表面a层的产生，对钛合金零部件的使用具有重要意义。2富氧a层的微观组织钛合金富氧a层包括富氧a固溶体和氧化钛，其中影响性能的主要是富氧a固溶体，a层中氧的含量从a相中氧的溶解极限逐渐减少到基体金属中氧的含量。a层通常在金相照片中表现为光亮的白色层。图1所示为TC4钛合金在真空炉内经700°C保温1h后的金相图片，可以发现a相在试样表层大量富集，形成光亮的富氧a层，深度约为5^m，试样心部a相含量相对较少。图1 TC4钛合金在真空炉内700°C保温1h后富氧a层的金相组织王荣等⑵研究发现BT3-1钛合金和TC6钛合金在热处理过程中均易形成富氧a相，富氧a层的形貌为粗大的等轴a相或条状a相+B相组成。魏氏体组织的钛合金富氧a相优先于原始B晶界形成，晶界富氧a层的深度一般为晶内富氧a相的2倍。富氧a相层的硬度高于正常基体组织，且与正常基体组织没有明显界限。3控制a层的方法钛合金富氧a层会明显影响材料的疲劳性能、断裂韧性和冲击性能，因此采取有效的手段控制a层十分必要。目前控制a层主要从两方面着手，一方面为事后控制，当前绝大部分钛合金零部件的生产工艺未考虑控制富氧a层的生成，而是在热处理后采取机械加工或化学切铣的方法去除生成的a层。同时国外的研究表明，采取短脉冲激光去皮的方法可去除钛合金表面的富氧a层⑶。另一方面为事先预防，通过在零件表面制备抗氧化涂层对高温氧化环境中服役的钛合金零部件起到有效的防护效果。但制备涂层过程中应注意避免钛合金表面吸氧而形成富氧a层。同时，张庆云、王荣等⑵研究发现真空热处理后TC4钛合金富氧a层不连续且当真空度在10-4Pa以上时，可以有效的抑制a层的产生，采用真空热处理手段是控制或消除表面富氧a层的有效方法。4形成富氧a层的影响因素在一定温度下，钛合金表面吸附氧，氧元素扩散到组织中，可提高表面a相稳定性，使表面a相在加热过程中不会转变成B相，从而导致表面与心部组织出现差异。于浩等⑴将TA2和TA15两种钛合金在600C〜900C加热并保温5min〜180min，通过金相显微镜观察微观组织。试验结果表明，在600C热处理时，即使保温180min，表面与基体组织的形貌差异不大，并没有产生富氧a层。但当温度升至850°C时，随着保温时间的延长，TA2钛合金中初生a相逐渐球化并长大。表面吸氧后，相对于心部，a相稳定性显著提高，晶粒的长大更为迅速。在保温时间为30min时，富氧a层尚不明显，而当保温时间达到60min时，钛合金表面出现非常明显的白亮区域，这就是富氧a层，其晶粒的平均尺寸略大于基体等轴a相。当保温时间达到180min时，富氧a层已经非常明显，晶粒的长大导致表面形成较厚的完整a层。当温度升高到900C时，由于接近相变点，心部组织转变为双态组织，而表层组织依然为明显的单一a相。朱知寿⑷等研究发现钛合金在高温空气环境中保温时，在表面会形成一层氧化层（包括氧化膜和富氧a层），在低温氧化或氧化初期的氧化膜主要为TiO,在更高的温度或长时间氧化后转化为氧化皮（TiOj，它是一层坚硬的金属氧化物，厚度很薄。在450C〜600C，钛合金进行15min〜120min热处理保温，富氧a层形成速度较慢，富氧a层深度随热处理保温时间的延长变化不大。在700C以后，富氧a层深度才有较大的变化。在900C〜1000C以上进行热处理，富氧a层深度可达0.1mm以上，而且在表面可以观察到TiO2氧化皮。通过金相显微镜观察，发现在相变点温度以下热处理后的表面和心部微观组织的区别不大，都为均匀细小的a相和B转变组织。当在相变点温度以上热处理时，表层与心部基体组织差别明显，基体中出现较多B转变组织，而表面富氧a层中出现较多的粗大针状a相组织。因此，提高保温温度或延长保温时间都会促使钛合金表面富氧a层的形成，且保温温度对微观组织的影响更加明显。5富氧a层对力学性能的影响富氧a层对钛合金力学性能具有重要影响。贾蔚菊⑸的研究结果表明，受富氧a层的影响，Ti60钛合金形成富氧a层后强度提高，塑性明显降低；不具有富氧a层的试样断裂类型为典型的韧窝型断裂；而具有富氧a层的试样裂纹起源于试样表面，在微观断口上可以看到断裂小平面和大量的撕裂棱，裂纹沿着a片层界面扩展。刘华等⑹研究发现某压力容器封头在打压实验过程中焊缝开裂，失效分析结果表明：封头焊缝开裂是由于焊接过程中焊缝内表面保护不良而形成氧化层及富氧a层，且封头吊耳焊缝与环形焊缝叠加处具有一定的应力集中和相对较高的残余应力，从而在压力实验过程中造成焊缝开裂。综上所述，关于钛合金富氧a层的研究主要集中在其对力学性能的影响以及控制富氧a层产生的相关方法，对于其形成机制以及热处理真空度、温度和时间等工艺参数的定量分析还有待进一步研究。参考文献于浩，等.TA15和TA2钛合金富氧a层生成机制[J].航空材料学报，2014,34(2):29-34王荣.钛合金中富氧a相的鉴定与分析.《理化检验物理分册》.2003,39(11)：549-551YULY，WANGZB，LIL.Materialmorphologicalcharacteristicsinlaserablationofalphacasefromtitaniuma11oy[J].AppliedSurfaceScience，2012，258(20)：8065—8071朱知寿，王新南，吴崇周，等.钛合金富