CN112921252A - 一种Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Ti‑6Al‑4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti‑6Al‑4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；将Ti‑6Al‑4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热，Ti‑6Al‑4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始向炉膛内充入氩气，氩气依次流经上区、中区、下区，以氩气为热量传导介质加快热量交换，增加冷却速度，温度降至250℃的出炉温度时将Ti‑6Al‑4V钛合金铸件出炉。
Description
技术领域
本发明涉及铸件热处理技术领域，特别是一种降温速率高、不影响铸件表面质量的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺。
背景技术
钛合金具有高比强度和优异的抗腐蚀性能，并且密度较低，仅为钢和镍基超合金的一半左右。具备这些优异的性能使得钛合金广泛应用于航空航天、化工、生物医药、海洋工程以及高端体育用品等产业。Ti-6Al-4V两相钛合金是目前应用最广泛的钛合金，除了航空航天领域，在民用领域如高尔夫球头等高端体育用品，以及医疗器械、人工器官等生物医用领域有着重要的应用。
钛合金的铸造成形过程中，容易产生各种各样的铸造缺陷如气孔、夹杂、缩孔、欠铸等，这些缺陷会在后续过程中通过补焊方法消除。补焊后该缺陷部位会残留焊接应力，为消除焊接残余应力，对铸件进行退火处理。
钛具有很高的化学活性，钛合金在高温时容易与空气中的元素发生化学反应。钛合金与氧气发生高温反应时，易在铸件表面生成如氧化钛、二氧化钛的化合物及富氧α层，这些氧化物和富氧α层会使铸件表面的塑性下降，严重时会产生脆性裂纹。钛合金和氢气接触时，在高温下氢元素极易扩散到钛合金基体中，过量氢元素的吸入会使铸件的塑性和韧性显著降低。因此铸件退火后为了加快冷却速度而引入氩气时，要避免引入氢、氧等有害元素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降温速率高、不影响铸件表面质量的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始向炉膛内充入氩气，氩气依次流经上区、中区、下区，以氩气为热量传导介质加快热量交换，增加冷却速度，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
进一步，所述立式真空退火炉内设置鼓风机。
进一步，在立式真空退火炉的炉内温度降至500℃时开始向炉膛内充入氩气，待炉内氩气压力充至1.0MPa时开启鼓风机，开启鼓风机30分钟后关闭鼓风机，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
进一步，在立式真空退火炉的炉内温度降至500℃时开始向炉膛内充入氩气，并开启鼓风机，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
进一步，采用金相法对随炉试片进行α层检测，确定在充入氩气的过程中是否有氧气或其他污染性气体进入炉膛。
进一步，对同炉退火的力学性能测试试棒进行力学性能检测，检验充入氩气加快冷却速度对铸件力学性能的影响。
发明的技术效果：（1）本发明的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，相对于现有技术，在退火降温过程中，在500℃时充入氩气开启鼓风机，500℃到250℃之间的降温速率较炉冷时提升了69.6%，这是由于氩气充入炉膛后沉到底部，底部氩气作为冷却介质加快了铸件与冷却系统的热量传导，冷却速度加快；（2）在500℃时充入氩气，氩气不影响铸件质量，Ti-6Al-4V钛合金铸件表面没有产生α层，也未产生荧光裂纹；力学性能也符合GJB2896A-2007中的规定，满足性能要求。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明的立式真空退火炉的分区结构示意图；
图2a是对比例1中立式真空退火炉三个温区的降温曲线；
图2b是实施例1中立式真空退火炉三个温区的降温曲线；
图2c是实施例2中立式真空退火炉三个温区的降温曲线；
图2d是实施例3中立式真空退火炉三个温区的降温曲线；
图3是实施例3中随炉试片的α层试样金相照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉的设备型号VVAF，工作区尺寸：φ1400x1500mm，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，如图1所示，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉外设置与氩气进口相通的引气管道，用于向立式真空退火炉内通入氩气，立式真空退火炉内设置鼓风机。
将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热并开始计时，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始向炉膛内充入氩气，由于第一次进行充入氩气测试，控制较小流量充入氩气，第37分钟时将炉内压力充至0.97MPa，开启鼓风机30分钟，氩气依次流经上区、中区、下区，以氩气为热量传导介质加快热量交换，增加冷却速度，在1小时56分时温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉，如图2（b）所示，上区、中区、下区测得的温度曲线可以看出开启鼓风机后降温速度明显增加，且下区的降温速度最快，上区和中区的降温速度基本一致。
实施例2
本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉的设备型号VVAF，工作区尺寸：φ1400x1500mm，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，如图1所示，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉外设置与氩气进口相通的引气管道，用于向立式真空退火炉内通入氩气，立式真空退火炉内设置鼓风机。
将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热并开始计时，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始向炉膛内充入氩气，不开鼓风机，只是以氩气作为介质来提高降温速度，如图2（c）所示，上区、中区、下区测得的温度曲线可以看出上区、中区、下区的降温速度在前25分钟内基本一致，因为前25分钟为充入氩气的时间，氩气由炉膛顶部充入随后落到炉膛下区，上、中、下三区在这段时间内都包含在氩气氛围中，故降温速度基本一致，然而25分钟后上区和中区的降温速度基本一致，下区的降温速度明显增加，这是由于氩气充入炉膛后沉到底部，底部氩气作为冷却介质加快了Ti-6Al-4V钛合金铸件与冷却系统的热量传导，冷却速度加快。
实施例3
本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉的设备型号VVAF，工作区尺寸：φ1400x1500mm，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，如图1所示，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉外设置与氩气进口相通的引气管道，用于向立式真空退火炉内通入氩气，立式真空退火炉内设置鼓风机。
将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热并开始计时，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始快速向炉膛内充入氩气，并开启鼓风机，直至达到出炉温度时关闭鼓风机，如图2（d）所示，氩气充入时间约为11分钟，开启鼓风机后三个温区的降温速度都有所增加，但是各区的降温速度并不相同，这是由于鼓风机开启后，氩气在鼓风机搅拌作用下，没有全部沉在底部，有部分氩气被搅到了上区和中区，降温速度从下区到中区，再到上区依次递减，在风机条件相同的情况下，氩气的密度决定了降温速度，在1小时33分即可达到出炉温度。
为了验证充入氩气后提升降温速度对Ti-6Al-4V钛合金铸件质量是否有影响，对充入氩气全程开鼓风机这炉的试验件进行性能测试。
采用金相法对同炉退火的随炉试片进行α层检测，确定在充入氩气的过程中是否有氧气等污染性气体进入炉膛。钛合金在高温下与氧气接触时，易发生氧化反应，氧原子在铸件及试片表面聚集形成富氧α层，从微观金相上呈现为边缘的连续的光亮的氧化带。腐蚀金相所用的腐蚀剂为：第一步，HF（2ml）+HNO3（4ml）+ H2O（94ml）；第二步，2%NH4HF2水溶液，金相照片如图3所示，其组织为常见ZTC4合金退火状态组织，试样边缘未见连续性的光亮带，即没有产生α层；同时对Ti-6Al-4V钛合金铸件表面进行荧光检验，也未发现荧光裂纹。
对同炉退火的力学性能测试试棒进行检测，检验充入氩气加快冷却速度对Ti-6Al-4V钛合金铸件力学性能的影响，选取5根拉伸试棒，其在21℃的室温拉伸结果如表1所示，结果显示5根试棒的力学性能均满足GJB2896A-2007中对ZTC4合金的拉伸性能的规定。
表1 ZTC4合金试棒拉伸结果
| 试样编号 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | 断裂收缩率/% |
| 1 | 876 | 813 | 7.0 | 18 |
| 2 | 880 | 814 | 7.0 | 16 |
| 3 | 880 | 821 | 9.0 | 20 |
| 4 | 882 | 817 | 11.5 | 20 |
| 5 | 873 | 803 | 7.0 | 16 |
GJB2896A-2007中ZTC4合金的拉伸性能为温度20℃，抗拉强度不小于835MPa，屈服强度不小于765MPa，伸长率不低于5%，断裂收缩率不低于12%。
对比例1
本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，本实施例的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉的设备型号VVAF，工作区尺寸：φ1400x1500mm，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，如图1所示，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉外设置与氩气进口相通的引气管道，用于向立式真空退火炉内通入氩气，立式真空退火炉内设置鼓风机。
将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热并开始计时，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，进行正常炉冷，不加入氩气，不开启鼓风机。
如图2（a）所示，上区、中区、下区测得的温度曲线可以看出开启鼓风机后降温速度明显增加，且下区的降温速度最快，上区和中区的降温速度基本一致，最终降温的时间为5小时6分，由此可知，将充入氩气开启鼓风机后的降温速度与正常炉冷对比，降温效率提升了69.6%。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，其特征在于，采用立式真空退火炉对Ti-6Al-4V钛合金铸件进行退火，立式真空退火炉内分为上区、中区、下区，立式真空退火炉的顶部设置氩气进口，立式真空退火炉的上区、中区、下区分别设置测温热电偶用于监控各分区的温度；将Ti-6Al-4V钛合金铸件放入立式真空退火炉内，并放入随炉试片和力学性能测试试棒，立式真空退火炉内加热至700℃并保温，保温结束后立式真空退火炉停止加热，Ti-6Al-4V钛合金铸件在炉膛内通过热辐射向炉壁上的冷却系统辐射热量，开始降温，当温度降至500℃时，开始向炉膛内充入氩气，氩气依次流经上区、中区、下区，以氩气为热量传导介质加快热量交换，增加冷却速度，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
2.根据权利要求1所述的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，其特征在于，所述立式真空退火炉内设置鼓风机。
3.根据权利要求2所述的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，其特征在于，在立式真空退火炉的炉内温度降至500℃时开始向炉膛内充入氩气，待炉内氩气压力充至1.0MPa时开启鼓风机，开启鼓风机30分钟后关闭鼓风机，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
4.根据权利要求2所述的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，其特征在于，在立式真空退火炉的炉内温度降至500℃时开始向炉膛内充入氩气，并开启鼓风机，温度降至250℃的出炉温度时将Ti-6Al-4V钛合金铸件出炉。
5.根据权利要求4所述的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，其特征在于，采用金相法对随炉试片进行α层检测。
6.根据权利要求4所述的Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺，对同炉退火的力学性能测试试棒进行力学性能检测。
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| CN202110134930.6A Pending CN112921252A (zh) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | 一种Ti-6Al-4V钛合金铸件真空退火快速冷却工艺 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114703435A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-07-05 | 中国科学院金属研究所 | 一种Ti60合金铸件的热处理工艺 |
| CN114774817A (zh) * | 2022-04-09 | 2022-07-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种Ti6246合金铸件的热处理工艺 |
| CN114774819A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-07-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种tc4合金铸件的热处理工艺 |
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-
2021
- 2021-02-01 CN CN202110134930.6A patent/CN112921252A/zh active Pending
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