关键词：氧化色、污染层、真空热处理
0 前言
钛合金是现代飞机承力结构中最有应用前景的材料。同铝合金及钢相比，它具有更高的比强度，同时，其耐腐性、抗疲劳性均很高。在高温下不可能采用铝合金时，钛合金却能有效地工作。钛合金更常作为航空、航天工业中使用的一种重要结构材料。钛合金零件热处理可用于钛合金锻件、铸件的退火、钛合金板材、焊接件的不完全退火、钛合金结构件的不完全退火以及大型钛合金隔框组装件的稳定热处理工序。
1 存在问题
钛合金零件在空气中加热到400℃以上时将形成密实的氧化膜，使氢很难从金属中逸出，形成溶解在金属中的脆化层（如图1）；而在真空中600℃以上温度加热时，对设备、工装使用控制不当或不及时，将发生氧向金属表面层的扩散，形成表面氧化色（如图2），影响钛合金零件的疲劳强度及表面质量。所以需开展对钛合金零件热处理表面质量控制研究及推广。
2 产生的原因
钛合金在空气中加热时，在1000℃以下主要是氧渗入，钛和氧作用剧烈,如
无保护措施,则钛的表面将形成污染层.污染层由氧化物薄膜及气体饱和层组成,后者是氧氮等在α钛中的间隙式固溶体,硬度高、塑性低。硬度值随氧、氮含量的增大而升高。硬度的高低反映表面吸氧的程度。当在相变点以上加热时，β晶粒粗大，氧优先沿原β晶界扩散，形成晶界α，而后深入晶粒内部。在污染层去除不够时，残余污染层中的富氧α相界被误认为合金本身的α相。污染层大大降低合金的塑性、韧性及疲劳性能。工件截面越小，污染层对性能影响越大，特别是对一些表面积大的板、带、管材等；污染层能使其塑性下降到难以成形加工的程度。
钛合金在真空中加热时，污染层主要是由于基体元素Ti和主要元素Al等都为化学活性高的元素，尤其是钛的化学活性极高，在高温下能同许多元素发生强烈反应而受到污染。钛合金在热处理加热时极易与氧、水蒸气、氧化物、氮等发生反应。真空退火时，加热温度在450℃～850℃范围内，整个工艺周期近24小时。零件在真空炉内长时间加热产生的氧化色主要通过四个途径形成：
（1）由于炉膛尺寸较大，炉子的真空度及压升率很难保证，致使炉内残留空气，钛合金在加热时与炉内残存的氧气反应，生成TiO2，形成氧化层；
（2）在该设备中处理的零件经过多道加工工序或零件表面积大，形状复杂，因此会残留少量的油迹污物，在加热过程中与零件接触反应，形成氧化层；
（3）用于零件热校的工装内含气、工装表面存在不清洁物质，在高真空加热过程中挥发的气体与钛合金表面反应，生成TiO2，形成氧化层；
（4）多台大型泵体在运行过程中由于深冷处理不及时，形成的油气不能及时冷凝而挥发到炉膛内部，这些物质与钛合金表面反应，生成TiO2，形成氧化。
多重的因素致使钛合金零件热处理后表面颜色超标。
3 钛合金真空热处理表面质量控制措施
为防止氧化污染，对钛合金多采用真空热处理。严格采取防护措施，对设备
的运行状态和零件、工装的表面状态进行控制，减少或避免形成氧化色，并查找出具体解决措施。
3.1 严格控制真空退火热处理设备使用状态，定期对真空退火炉进行氧化退火，并建立操作人员对设备进行日常维护保养制度、周期检修制度以及增强操作人员对设备及钛合金热处理知识的了解，增强自主维护意识，提高产品质量。
3.2 规范零件加工厂对零件及所带工装的清洗要求，严格控制零件及工装装炉前清洁状态，解决零件及工装入炉前各种污染问题。
3.2.1工装控制要求
（1）新制、返修的工装使用前应进行吹砂处理，并且在不低于相应零件热处理最高温度下经除气退火处理后方可使用。
（2）工装应放在托架或支架上保存，对长期不用的工装应用干净的帆布或其他厚实的布或聚乙烯薄膜罩上并放在指定工装存放地。
3.2.2清洗要求
（1）每次在真空热处理前应对炉子可接触部位，包括炉门、胶圈、真空炉壳体的内表面、炉膛以及炉底板等用有机溶剂进行擦洗。
（2）每周应对真空炉壳体的内表面、炉底板、隔热屏的外表面、内表面、加热器和绝缘瓷瓶的表面用有机溶剂进行彻底清洗。
（3）炉子擦洗后用白色棉布擦拭的方法进行检定，不允许存在污垢痕迹。
（4）擦洗时应开动进排气通风装置，停止全部其它工作并关掉辅助设备的电源。对炉子内部进行清洗时要穿戴干净的工作服、白手套、工作帽和软底工作鞋。
5 结论
通过建立真空加热设备的保养、周期检修制度，提高自主维护意识，保证设备长期稳定运行，以及制订钛合金零件、工装及设备清洗要求，下发控制要求的技术文件，协调生产线相关问题，实现钛合金零件热处理全面质量控制，确保零件表面无氧化色。
论文作者:王筱硕
论文发表刊物:《科技中国》2018年4期
论文发表时间:2018/8/10
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