熱處理參數(shù)對(duì)Ti80鈦合金板材表面污染層的影響

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉的Ti80合金，化學(xué)成分如表 1 所示，采用金相法測得其相變點(diǎn)為 990~1000℃，鑄錠經(jīng)過多火次鍛造、機(jī)加工后得到厚度 150mm 的板坯，并在兩相區(qū)軋制成厚度 10~24mm 的板材，在板材頭或尾用水刀切取規(guī)格為原厚×50mm×20mm 的試樣，采用電加熱爐進(jìn)行熱處理，10、18、24mm 厚板材試樣不涂覆防氧化涂料直接熱處理，爐溫達(dá)到指定溫度后試樣入爐，溫度穩(wěn)定后保溫 45~160min，出爐后空冷；18mm 板材部分試樣所有表面分別刷涂 a、b、c、d 四種不同玻璃組分填料配比的防氧化涂料，單面涂覆厚度 100~300μm，到溫后試樣入爐，熱處理溫度為 980℃，溫度穩(wěn)定后保溫 90min，出爐后空冷。線切割規(guī)格為原厚 ×15mm×15mm 的金相試樣，金相試樣經(jīng)過粗磨、精磨和拋光后，采用 2% 的氟化氫銨水溶液進(jìn)行腐蝕，在 OLYMPUS GX71 金相顯微鏡下進(jìn)行板材上下表面污染層觀察，并進(jìn)行板材上下表面污染層厚度的測量，表面污染層的檢測按照 GB/T23603-2009《鈦及鈦合金表面污染層檢測方法》進(jìn)行。

表 1 Ti80 鈦合金鑄錠的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2、結(jié)果分析與討論

2.1 熱處理溫度對(duì)表面污染層的影響

圖 1 為不同溫度熱處理后 10mm 厚Ti80合金板材未涂覆防氧化涂料表面污染層形貌。從圖1可以看出，經(jīng)過 800~900℃熱處理后，板材上下表面顯微組織中均出現(xiàn)白色亮層，此白色亮層即表面污染層，板材熱處理過程中，表面吸氧后相穩(wěn)定性相對(duì)于內(nèi)部基體顯著提高，熱處理后內(nèi)部基體組織中部分相轉(zhuǎn)變成相，表層 α 相未轉(zhuǎn)變成 β 相，從而造成表層與內(nèi)部顯微組織出現(xiàn)差異。表 2 為金相顯微鏡下測量得到的不同溫度熱處理后 10mm 厚Ti80合金板材表面污染層厚度，經(jīng)過800~850℃熱處理后，表面污染層厚度變化不大，900℃熱處理后表面污染層厚度有少量增加。表面污染層厚度整體較薄，通過常規(guī)的拋丸酸洗或表面拋光處理可以去除干凈，不會(huì)對(duì)板材力學(xué)性能和后續(xù)使用產(chǎn)生影響。

表 2 不同熱處理參數(shù)下 10mm 厚Ti80合金板材表面污染層厚度

圖 2 為不同溫度熱處理后 18mm 厚Ti80合金板材未涂覆防氧化涂料表面污染層形貌。從圖 2 可以看出，經(jīng)過 965~990℃熱處理后，板材上下表面顯微組織中均出現(xiàn)明顯的白亮層，隨著熱處理溫度升高，內(nèi)部顯微組織中等軸相含量減少，轉(zhuǎn)變相含量增加，上下表面由于不斷吸氧造成相較穩(wěn)定，沒有轉(zhuǎn)變成相，因此形成了明顯的富氧層，與內(nèi)部顯微組織有著明顯差異。表 3 為金相顯微鏡下測量得到的不同溫度熱處理后 18mm 厚Ti80合金板表面污染層厚度，Ti80 板材經(jīng)過軋制后表面污染層厚度為 60~70μm，相對(duì)較薄，與 800~900℃熱處理后的板材表面污染層形貌和厚度基本接近，在 900℃以下進(jìn)行熱處理時(shí)，熱處理溫度對(duì)表面污染層厚度的影響較小。經(jīng)過 965~980℃高溫?zé)崽幚砗?，表面污染層厚度增加，隨著熱處理溫度升高，內(nèi)部顯微組織中相含量不斷減少，轉(zhuǎn)變 β 相不斷增加，氧不斷從板材表層往中心擴(kuò)散，溫度越高，擴(kuò)散激活能越大，擴(kuò)散的速度越快。經(jīng)過 990℃熱處理后，單面污染層厚度從 190μm 急劇增加到 390μm。由于此溫度在Ti80合金相變點(diǎn)附近，內(nèi)部組織中等軸相基本轉(zhuǎn)變成 β 相，轉(zhuǎn)變 β 基體粗化，表面與內(nèi)部相含量差異巨大，另外溫度升高使得氧擴(kuò)散速度進(jìn)一步加快，導(dǎo)致表面污染層厚度急劇增加。因此在制定熱處理工藝時(shí)，在保證板材性能的基礎(chǔ)上，需要選擇合理的熱處理溫度，避免板材表面出現(xiàn)較厚的污染層造成后續(xù)表面處理困難。

表 3 不同熱處理參數(shù)下 18mm 厚Ti80合金板材表面污染層厚度

2.2 保溫時(shí)間對(duì)表面污染層的影響

圖 3 為 980℃熱處理不同時(shí)間后 24mm 厚Ti80合金板表面污染層形貌，可以看出，在相同的熱處理溫度下，隨著保溫時(shí)間延長，表面污染層厚度不斷增加，與內(nèi)部顯微組織差異越來越大。表 4 為 980℃熱處理不同時(shí)間后 24mm 厚Ti80合金板表面污染層厚度。由表 4 可知，單面污染層厚度最厚達(dá)到 384μm。表面污染層太厚導(dǎo)致板材有效厚度減小，材料表面打磨后無形損耗較大，造成板材成材率下降和生產(chǎn)成本的增加。因此在制定熱處理工藝時(shí)，在保證板材性能的基礎(chǔ)上，需要選擇合理的保溫時(shí)間，避免板材表面出現(xiàn)較厚的污染層。

表 4 980℃熱處理不同時(shí)間后 24mm 厚Ti80合金板表面污染層厚度

2.3 防氧化涂料對(duì)表面污染層的影響

圖 4 和表 5 為表面涂覆不同類型防氧化涂料熱處理后 18mm 厚Ti80合金板材表面污染層形貌及厚度，可以看出，在相同的熱處理溫度和保溫時(shí)間下，當(dāng)涂料在板材表面單面涂覆厚度為 250~300μm 時(shí)，不同類型防氧化涂料防護(hù)效果差異較大。由于不同涂料玻璃組分填料配比的不同，對(duì)熱處理后涂層致密性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱處理過程中防護(hù)效果差異較大。當(dāng)板材涂覆涂料 a 時(shí)，上下表面污染層總厚度大于未涂涂料時(shí)上下表面污染層總厚度，涂料在熱處理過程中沒有起到保護(hù)效果；當(dāng)板材表面涂覆涂料 b 和 c 時(shí)，表面污染層厚度下降較明顯；當(dāng)板材表面涂覆涂料 d 時(shí)熱處理過程中防護(hù)效果最好，單面污染層厚度僅 56μm。

表 5 表面涂覆不同類型防氧化涂料熱處理后 18mm 厚Ti80合金板材表面污染層厚度

為了提高實(shí)際生產(chǎn)過程中工況適用性，避免由于操作過程中涂料厚度不均勻?qū)е聼崽幚矸雷o(hù)效果較差，減少涂料 d 的涂覆厚度，可以看出，當(dāng)涂料單面涂覆厚度減少至 100~150μm 時(shí)，表面污染層厚度增加到 133μm，涂料 d 的防氧化性能和工藝適應(yīng)性更好，當(dāng)涂料厚度減少時(shí)，在熱處理過程中仍能起到一定的保護(hù)作用。因此選擇合適型號(hào)的涂料并保證一定的涂覆厚度可以大幅減少Ti80合金板材高溫?zé)崽幚砗蟊砻嫖廴緦雍穸取?/p>

3、結(jié)論

大氣條件下，表面未涂覆防氧化涂料時(shí)，隨著熱處理溫度升高及保溫時(shí)間延長，Ti80 合金板材表面污染層厚度不斷增加，在 800~900℃熱處理時(shí)，表面污染層較薄容易去除，在 965~990℃熱處理時(shí)，表面污染層較厚去除困難。

表面涂覆防氧化涂料時(shí)，防氧化涂料配比和涂覆厚度對(duì)Ti80合金板材表面污染層厚度均會(huì)產(chǎn)生較大影響，選擇合適型號(hào)的涂料并保證一定的涂層厚度可以大幅減少Ti80合金板材高溫?zé)崽幚砗蟊砻嫖廴緦雍穸?，但不能完全消除表面污染層?/p>

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