铸件钛合金热处理后产生富氧α层问题的研究

铸件钛合金热处理后产生富氧 α层问
题的研究
摘要：本文研究了ZTC4和ZTA15铸件钛合金经过不同加热气氛、不同热处理温度和保温时间、不同加工方式以及不同表面状态退火后表面α层的形成情况，比较不同参数对钛合金表面富氧α层的影响。

结果表明，退火温度和保温时间是影响铸件钛合金形成富氧α层的主要因素，且退火温度的影响更为显著。

在相同条件下，与ZTA15相比，氧在ZTC4更容易扩散，ZTC4更容易形成富氧α层。

真空热处理是控制或消除表面富氧α层的有效方法。

关键词：热处理，钛合金铸件，α层，氧化
1 前言
钛合金由于其具有较高的比强度，在航空航天领域中应用广泛。

在热加工或热处理过程中，钛合金铸件表面会吸附气氛中的氧形成富氧α层，对钛合金铸件的性能产生一定的影响[1、2]。

研究表明，富氧α层是一种脆硬相，α层的存在
容易引起裂纹扩展从而导致某些钛合金零件失效[3、4]，已有研究工作者证实表面存
在富氧α层的钛合金拉伸试样断裂起始于试样表面。

另外，钛合金表面富氧α层还明显影响材料的疲劳性能、断裂韧性和冲击性能[5]。

因此，通过研究α层的产生机制和影响因素，优化钛合金热处理工艺参数，可以减少α层的产生，优化钛合金材料的使用性能。

2 试验材料和方法
将不同状态的ZTC4和ZTA15两种铸件钛合金置于真空炉和空气炉内进行去应力退火，退火加热温度为700℃～900℃，保温时间60分钟～120分钟。

实验所用ZTC4和ZTAl5化学成分见表1和表2。

热处理后对两种铸件钛合金采用两步腐蚀法进行抛光腐蚀，第一步利用2%HF+4%HNO 3+94%H 20腐蚀液腐蚀，第二步利用
2%NH
4HF
2
腐蚀液腐蚀，随后，采用金相法进行观察，在200倍显微镜下观察钛合
金表面的氧化及α层分布情况。

对比不同参数对钛合金表面的富氧α层的影响。

表1 ZTC4钛合金主要合金元素化学成分 wt%
主要合金元素
牌号
T
i
A
l
M
o
V S
n
Z
r
C
r
M
n
Nb
ZT C4基5
.5-
6.8
—
—
3
.5-
4.5
—
—
—
—
—
—
1——表2 ZTA15钛合金主要合金元素化学成分 wt%
主要合金元素
牌号
T
i
Al Mo V F
e
Zr S
i
ZT A15基 5.5
-7.0
0.5
-2.0
0.8
-2.5
.25
1.5
-2.0
.15
3 结果和分析
3.1加工方式对α层的影响
图1为经过机加（铣）、手工锉修、冲压、线切割4种不同加工方式处理后的试样显微组织。

从图上可以看出，采用机加（铣）同时配合切削液的冷加工方式制备试样，试样边缘不会出现α层。

但采用手工锉修、冲压和线切割这三种加工方式时，加工过程中均会产生一定热量，特别是对孔进行冲压和线切割过程中，瞬时产生巨大的热量会造成局部温度过高，容易产生富氧α层。

从图（c）和（d）可以看出表面α层附近的组织的形貌由竖直板条状变为弯曲板条状，这是由于加工过程中过热造成了组织变形。

（a）机加（铣）（b）手工锉修
（c）冲压（d）线切割
图1 ZTC4在730℃温度不同加工方式下表面金相组织（200倍下）
3.2不同退火温度对α层的影响
ZTC4和ZTA15钛合金试样热处理后分别经空气炉700℃、750℃、800℃、850℃、900℃保温2小时后，在200倍下显微镜观察试样显微组织，如图2和图3所示。

当钛合金铸件在热处理时，空气中的氧就会向钛合金中扩散，由于氧元素是α相稳定元素，会溶于α-Ti基体中形成间隙固溶体，从而在钛合金的表层形成一层富氧α相。

ZTC4为α+β型钛合金，通过金相显微镜观察组织为α
相和β相且弥散均匀分布。

从图2可以看出，ZTC4在空气炉中经700℃、750℃、800℃、850℃、900℃退火后试样边缘均出现α层、白色层及光亮α相。

从图3
可以看出，ZTA15在空气炉中经700℃试样边缘未出现α层、白色层及光亮α
相，随着温度进一步升高，750℃、800℃、850℃、900℃退火后试样边缘均出现
α层、白色层及光亮α相。

在钛合金中，氧是扩大α相元素，在α相中具有
较大的溶解度和扩散系数，因此氧在ZTC4中容易扩散，形成富氧α层。

从两种
钛合金铸件显微组织可以看出，随着退火温度的升高，α层的厚度逐渐增大。

（a）700 ℃退火（b）750℃退火
（c）800 ℃退火（d）850℃退火
（e）900℃退火
图2 ZTC4不同退火温度下表面金相组织（200倍下）
（a）700 ℃退火（b）750℃退火
（c）800 ℃退火（d）850℃退火
（e）900℃退火
图3 ZTA15不同退火温度下表面金相组织（200倍下）
当加热到800℃以上，由于氧化层增厚，对基体产生了很大的压应力，且氧化层和基体的膨胀系数有较大差异，在冷却过程中会产生热应力，这就使得ZTC4和ZTA15钛合金试样在冷却过程中表面的部分氧化层自动剥落，剥落之后的表面呈银灰色，表面粗糙。

如图2和图3所示，ZTC4和ZTA15显微组织的试
样边缘处与基体相比，α相明显增多。

温度达到800℃以后，由于富氧α层中α相晶粒的长大和基体中β转变组织的增多，富氧α层与基体组织的差异更加明显，α层厚度也随之增大。

3.3保温时间对α层的影响
ZTC4和ZTA15钛合金试样热处理后分别经空气炉750℃退火保温1小时、750℃退火保温2小时,试样显微组织如图4和图5所示。

（a）750℃退火1h （b）750℃退火2h
图4 ZTC4在750℃温度下不同保温时间下表面金相组织（200倍下）
（a）750℃退火1h （b）750℃退火2h
图5 ZTA15在750℃温度下不同保温时间下表面金相组织（200倍下）
从图4和图5可以看出，ZTC4钛合金试样边缘出现α层、白色层或光亮α相，ZTA15钛合金试样边缘同样出现α层、白色层或光亮α相，但α层较薄。

同种材料中，随着退火保温时间的增加，晶粒逐渐长大，α层厚度也随之增加，
但增加量并不明显，这说明退火保温时间也是影响α层形成的因素之一，但影
响作用不显著。

3.4表面质量对α层的影响
ZTA15钛合金试样表面质量对α层的影响情况如图6所示。

从图上可以看出试样边缘处均未出现光亮的高密度α相，即α层。

热处理
前经过酒精清洗和经过切削液浸泡的试样均未产生α层，但由于切削液的影响，热处理前经过酒精清洗后的试样表面更加颜色均匀。

（a）表面酒精清洗（b）表面浸切削液
图6 ZTA15在730℃温度下不同表面质量下表面金相组织（200倍下）
3.5热处理气氛对α层的影响
图7所示为ZTC4在不同热处理气氛中（真空气氛、空气气氛）750℃退火温度下加热2小时后试样边缘的显微组织，由图可见在真空气氛中退火加热后试样边缘未出现α层、白色层或光亮α相，在空气气氛中试样边缘出现α层、白色层或光亮α相。

这是由于在真空加热气氛中，氧含量较低，不易扩散进入钛合金试样边缘，说明真空热处理可以有效的抑制α层的产生，真空热处理是控制或消除表面富氧α层的有效方法。

（a）真空气氛（b）空气气氛
图7 ZTC4在750℃温度不同热处理气氛下下表面金相组织（200倍下）
3.6钛屑保护对α层的影响
用真空炉对钛合金进行热处理时，钛屑保护可以进一步提升试样的无氧化气氛，以减小微氧化气氛对钛合金零件的影响。

经过钛屑保护的钛合金试样热处理后表面颜色与热处理之前几乎相近，而未经过钛屑保护的钛合金试样与热处理前相比颜色略黄、略暗。

但经过金相显微镜观察，钛屑保护对α层的影响不大，
且在实际生产中钛屑保护对大型钛合金零件的实际操作具有一定局限性。

所以，
钛屑保护对α层的影响可以忽略不计。

4 结论
（1）ZTC4和ZTA15两种钛合金铸件材料经700℃～900℃空气炉退火后，随
着退火温度的升高和保温时间的延长，表面富氧α层愈发明显，且厚度增加。

退火温度和保温时间是影响α层的主要因素，保温时间影响不如退火温度显著。

（2）热处理前试样的加工方式对α层的影响明显，建议采用冷加工方式，
注意在试样加工过程中及时冷却以避免在加工过程由于加工方式导致的瞬间过热
形成α层。

（3）真空热处理是控制或消除表面富氧α层的有效方法，热处理前试样表
面质量、钛屑保护等因素对钛合金铸件的富氧α层的影响不大。

参考文献
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[3] 白明远，杨胜，李运菊，等.钛合金壳体开裂失效分析[J].热加工工艺，2011，40（1）：179-182
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究[J]．稀有金属快报，2007，12 (26)： 24-28
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