鈦的熱處理方法
一.鈦的基本熱處理:
工業(yè)純鈦是單相α 型組織,雖然在890℃以上有α-β 的多型體轉(zhuǎn)變,但由于
相變特點決定了它的強化效應比較弱,所以不能用調(diào)質(zhì)等熱處理提高工業(yè)純鈦的
機械強度.工業(yè)純鈦唯一的熱處理就是退火.它的主要退火方法有三種：1 再結
晶退火 2 消應力退火 3 真空退火.前兩種的目的都是消除應力和加工硬化效應,
以恢復塑性和成型能力.
工業(yè)純鈦在材料生產(chǎn)過程中加工硬度效應很大.圖2-26 所示為經(jīng)不同冷加
工后,TA2 屈服強度的升高,因此在鈦材生產(chǎn)過程中,經(jīng)冷、熱加工后,為了恢
復塑性,得到穩(wěn)定的細晶粒組織和均勻的機械性能,應進行再結晶退火.工業(yè)純
鈦的再結晶溫度為550-650℃,因此再結晶退火溫度應高于再結晶溫度,但低于
α-β 相的轉(zhuǎn)變溫度.在650-700℃退火可獲得最高的綜合機械性能（因高于700℃
的退火將引起晶粒粗大,導致機械性能下降）.退火材料的冷加工硬化一般經(jīng)
10-20 分鐘退火就能消除.這種熱處理一般在鈦材生產(chǎn)單位進行.為了減少高溫
熱處理的氣體污染并進一步脫除鈦材在熱加工過程中所吸收的氫氣,目前一般鈦
材生產(chǎn)廠家都要求真空氣氛下的退火處理.
為了消除鈦材在加工過程（如焊接、爆炸復合、制造過程中的輕度冷變形）
中的殘余應力,應進行消應力熱處理.
消應力退火一般不需要在真空或氬氣氣氛中進行,只要保持爐內(nèi)氣氛為微氧
化性即可.
二.鈦及鈦合金的熱處理:
為了便于進行機械工業(yè)加并得到具有一定性能的鈦和鈦合金,以滿足各種
產(chǎn)品對材料性能的要求,需要對鈦及鈦合金進行熱處理.
1．工業(yè)純鈦（TA1、TA2、TA3）的熱處理
α-鈦合金從高溫冷卻到室溫時,金相組織幾乎全是α 相,不能起強化作用,
因此,目前對α-鈦只需要進行消應力退火、再結晶退火和真空退火處理.前
兩種是在微氧化爐中進行,而后者則應在真空爐中進行.
（一）消應力退火
為了消除鈦和鈦合金在熔鑄、冷加工、機械加工及焊接等工藝過程中所產(chǎn)生
的內(nèi)應力,以便于以后加工,并避免在使用過程中由于內(nèi)應力存在而引起開裂破
壞,對α-鈦應進行消除應力退火處理.消除應力退火溫度不能過高、過低,因為
過高引起晶粒粗化,產(chǎn)生不必要的相變而影響機械性能,過低又會使應力得不到
消除,所以,一般是選在再結晶溫度以下.對于工業(yè)純鈦來說,消除應力退火的
加熱溫度為500-600℃.加熱時間應根據(jù)工件的厚度及保溫時間來確定.為了提
高經(jīng)濟效果并防止不必要的氧化,應選擇能消除大部分內(nèi)應力的最短時間.工業(yè)
純鈦消除應力退火的保溫時間為15-60 分鐘,冷卻方式一般采用空冷.
（二）再結晶退火（完全退火）
α-鈦大部分在退火狀態(tài)下使用,退火可降低強度、提高塑性,得到較好的綜
合性能.為了盡可能減少在熱處理過程中氣體對鈦材表面污染,熱處理溫度盡可
能選得低些.工業(yè)純鈦的退火溫度高于再結晶溫度,但低于α 向β 相轉(zhuǎn)變的溫度
120-200℃,這時所得到的是細晶粒組織.加熱時間視工件厚度而定,冷卻方式
一般采用空冷.對于工業(yè)純鈦來說,再結晶退火的加熱溫度為680-700℃,保溫
時間為30-120 分鐘.規(guī)范的選取要根據(jù)實際情況來定,通常加熱溫度高時,保
溫時間要短些.
需要指出的是,退火溫度高于700℃時,而且保溫時間長時,將引起晶粒粗
化,導致機械性能下降,同時,晶粒一旦粗化,用現(xiàn)有的任何熱處理方法都難以
使之細化.為了避免晶粒粗化,可采取下列兩種措施：
1）盡可能將退火溫度選在700℃以下.
2） 退火溫度如果在700℃以上時,保溫時間盡可能短些,但在一般情況下,
每mm 厚度不得少于3 分鐘,對于所有工件來講,不能小于15 分鐘.
（三）真空退火
鈦中的氫雖無強化作用,但危害性很大,能引起氫脆.氫在α-鈦中的溶解
度很小,主要呈TiH2 化合物狀態(tài)存在,而TiH2 只在300℃以下才穩(wěn)定.如將α-
鈦在真空中進行加熱,就能將氫降低至0.1%以下.當鈦中含氫量過多時需要除
氫,為了除氫或防止氧化,必須進行真空退火.真空退火的加熱溫度與保溫時間,
與再結晶退火基本相同.冷卻方式為在爐中緩冷卻到適當?shù)臏囟?然后才能開爐,
真空度不能低于5×10-4mmHg.
二．TC4（Ti-6Al-4V）的熱處理
在鈦合金中,TC4 是應用比較廣泛的一種鈦合金,通常它是在退火狀態(tài)下
使用.對TC4 可進行消除應力退火、再結晶退火和固溶時效處理,退火后的組織
是α 和β 兩相共存,但β 相含量較少,約占有10%.TC4 再結晶溫度為750℃.
再結晶退火溫度一般選在再結晶溫度以上80~100℃（但在實際應用中,可視具
體情況而定,如表5-26）,再結晶退火后TC4 的組織是等軸α 相+β 相,綜合性
能良好.但對TC4 的退火處理只是一種相穩(wěn)定化處理,為了充分民掘其優(yōu)良性
能的潛力,則應進行強化處理.TC4 合金的α+β/β 相轉(zhuǎn)變溫度為980~990℃,固
溶處理溫度一般選在α+β/β 轉(zhuǎn)變溫度以下40~100℃（視具體情況而定,如表5-26
所示）,因為在β 相區(qū)固溶處理所得到的粗大魏氏體組織雖具有持久強度高和斷
裂韌性高的優(yōu)點,但拉伸塑性和疲勞強度均很低,而在α+β 相區(qū)固溶處理則無此
缺點.
規(guī) 范
類 型
溫 度（℃） 時間（min） 冷 卻 方 式
消除應力退火 550~650 30~240 空 冷
再結晶退火 750~800 60~120 空冷或隨爐冷卻至590℃后空冷
真空退火 790~815
固溶處理 850~950 30~60 水 淬
時效處理 480~560 4~8h 空 冷
時效處理是將固溶處理后的TC4 加熱到中等溫度,保持一定時間,隨后空冷.
時效處理的目的是消除固溶處理所產(chǎn)生的對綜合性能不利的α’相.固溶處理所產(chǎn)
生的淬火馬氏體α’,在時效過程中發(fā)生迅速分解（相變相當復雜）,使強度升高,
對此有兩種看法：
1.認為由于α’分解出α+β,分解產(chǎn)物的彌散強化作用使TC4 強度升高.
2.認為在時效過程中,β 相分解形成ω 相,造成TC4 強化.
隨著時效的進行,強度降低,對此現(xiàn)象也有兩種不同的觀點：
1．β 相的聚集使強度降低（與上述1 對應）.
2．ω 相的分解為一軟化過程（與上述2 對應）.
時效溫度和時間的選擇要以獲得最好的綜合性能為準.在推薦的固溶及時效
范圍內(nèi),最好通過時效硬化曲線來確定最佳工藝（如圖5-28 所示.此曲線為TC4
經(jīng)850℃固溶處理后,在不同溫度下的時效硬化曲線）.低溫時效（480-560℃）
要比大于700℃的高溫時效好.因為在高溫時的拉伸強度、持久和蠕變強度、斷
裂韌性以及缺口拉伸性能等各方面,低溫時效都比高溫時效的好.
經(jīng)固溶處理的TC4 綜合性能比750-800℃ 退火處理后的綜合性能要好.
需要指出的是,TC4 合金的加工態(tài)原始組織對熱處理后的顯微組織和力學性
能有較大的影響.對于高于相變溫度,經(jīng)過不同變形而形成的網(wǎng)蘭狀組織來說,
是不能被熱處理所改變,在750~800℃退火后,基本保持原來的組織狀態(tài)；對于
在相變溫度以下進行加工而得到的α 及β 相組織,在750-800℃退火后,則能得
到等軸初生α相及轉(zhuǎn)變的β相.前者的拉伸延性和斷面收縮率都較后者低；但耐
高溫性能和斷裂韌性、抗熱鹽應力腐蝕都較高.
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的熱處理
Ti-32Mo-2.5Nb 是穩(wěn)定β 型單相固溶合金,只需進行消除應力退火處理,
退火溫度為750~800℃,保溫一小時,冷卻方式采用空冷、爐冷均可.
五．熱處理中的幾個問題
（一）污染問題
鈦有極高的化學活性,幾乎能與所有的元素作用.在室溫下能與空氣中的氧
起反應,生成一層極薄的氧化膜,氧化速率很小.但在高的溫度下,除了氧化速
率加快并向金屬晶格內(nèi)擴散外,鈦還與空氣中的氫、氮、碳等起激烈的反應,也
能與氣體化合物CO、CO2、H2O、NH4 及許多揮發(fā)性有機物反應.熱處理金屬元
素與工件表面的鈦發(fā)生反應,使鈦表面的化學成分發(fā)生變化,其中一些間隙元素
還能透過金屬點陣,形成間隙固溶體.況且除氫以外,其他元素與鈦的反應是不
可逆的.即使是氫,也不允許在最終熱處理后,進行高溫去除.間隙元素不僅影
響鈦和鈦合金的力學性能,而且還影響α+β/β 轉(zhuǎn)變溫度和一些相變過程,因此,
對于間隙元素,尤其是氣體雜質(zhì)元素對鈦和鈦合金的污染問題,在熱處理中必須
引起重視.
（二）加熱爐的選擇
為在加熱過程中防止污染,必須對不同要求的工件采取不同的措施.若在最
后經(jīng)磨削或其他機械加工能將工件表面的污染層去除時,可在任何類型的加熱爐
中進行加熱,爐內(nèi)氣氛呈中性或微氧化性.為防止吸氫,爐內(nèi)應絕對避免呈還原
性氣氛.當工件的最后加工工序為熱處理時,一定要采用真空爐（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氬氣氣氛（氬氣純度在99.99%以上并且干燥）的加熱爐中進行
加熱.熱處理完畢后,必要時用30%的硝酸加3%的氫氟酸其余為水,在50℃溫
度下對工件進行酸洗,或輕微磨削,以除去表面污染層.
（四）加熱方法
在熱處理進行以前,首先要對加熱爐爐膛進行清理,爐內(nèi)不應有其他金屬或
氧化皮；對于工件,則要求表面沒有油污、水和氧化皮.
用真空爐對鈦工件進行加熱是防止污染的一種有效方法,但由于目前條件所
限,許多工廠還是采用一般加熱爐.在一般加熱爐中加熱,根據(jù)需求的不同采用
不同的措施防止污染,比如：
1．根據(jù)工件的大小,可裝在封閉的低碳鋼容器中,抽真空后進行加熱.若無真
空泵可通入惰性氣體（氬氣或氦氣）進行保護,保護氣體要多次反復通入、
排出,把空氣完全排凈.
2．使用涂層也是熱處理中保護鈦免遭污染的措施之一,在國外已取得一定的經(jīng)
驗.國內(nèi)一些工廠也在采用高溫漆和玻璃涂料作涂層.有人認為,目前對鈦
所用的各種保護涂層,只能減少污染的深度,并不能完全免除污染.對每種
熱處理,必須考慮允許的污染深度,選擇合適有效的涂層,其中也包括熱處
理后的剝離.
3．若用火焰加熱,在加熱過程中切忌火焰直接噴射在鈦工件上,煤氣火焰是鈦
吸氫的主要根源之一.而用燃油加熱,如若不慎將會引起鈦工件過分氧化或
增碳.
（五） 冷卻
鈦和鈦合金熱處理的冷卻方式主要是空冷或爐冷,也有采用油冷或風扇冷卻
的.淬火介質(zhì)可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液,但通常使用最廣泛的淬火
介質(zhì)是水.
只要能滿足鈦和鈦合金對冷卻速度的要求.一般鋼的熱處理所采用的冷卻裝
置對鈦都適用.