摘要：真空熱處理技術具有無氧化、無污染、表面質量好、變形微小等突出特點，是當前國際熱處理技術發展的熱點。真空固溶處理、真空時效、真空退火是鈦合金幾種典型的熱處理工藝。本文描述了立式真空水淬爐的研究內容及應用前景，介紹了立式真空水淬爐的結構及工藝特點，闡明該技術重要特征之一是鈦合金零件真空加熱后最長水淬火延遲時間小于6秒；特征之二是熾熱的工件進入水槽后產生大量水蒸汽對加熱室無影響，對真空系統及泵組無污染；特征之三實現鈦合金零件及其它材料真空加熱下水淬火的光亮固溶處理工藝，并指出立式真空水淬是未來鈦合金真空熱處理的主要發展方向之一。

關鍵詞：真空熱處理；立式真空水淬爐；淬火轉移時間短；無污染；光亮固溶處理

立式真空水淬爐是源于鈦合金材料在航天航空領域大量使用而研發制造的，主要針對α+β型鈦合金材料真空加熱之后快速淬火（固溶處理）的一種新型高端熱處理設備。眾所周知，鈦的密度為4.51g/cm³，鈦合金很輕，如Ti-6Al-4V的密度僅為4.42 g/cm³，鈦合金材料經固溶處理再時效強化后的比強度遠高于高強度鋁合金、鎂合金、高溫合金和高強度結構鋼，甚至與超高強度鋼相當，因此被廣泛應用于航空航天、國防軍工、船舶、生物醫用、化工、汽車等領域。如美國F-22戰機上鈦合金的用量已高達41%，而鋁合金和鋼的用量分別只有15%和5%。

真空油淬、真空高壓氣淬是材料熱處理的主要方式之一，真空油淬嚴重影響鈦合金質量，高壓氣淬冷卻速度不能滿足鈦合金固溶處理的要求，真空水淬是唯一賦予鈦合金固溶強化的關鍵技術。立式真空水淬冷卻速度快、固溶強化效果好，已成為業界競相研究開發的熱點。

中國是一個鈦工業大國，鈦的加工量已經達到3萬噸/年，目前鈦合金應用不再局限于宇航業及軍工業大量使用，而是逐漸趨于民用化、國際化，依據鈦合金發展趨勢，與之配套的生產設備制造技術也必須得以相應發展。鑒于這一發展要求，湖南頂立科技股份有限公司開發了VVWQ系列立式真空水淬爐設備技術，專門用于鈦合金材料真空熱處理。設備除具備高真空加熱，水介質中淬火固溶外，還精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉移時間，最大限度地減少零件的熱處理畸變，經真空熱處理后鈦合金工件表面光亮，該設備技術為α+β型鈦合金材料所制造的結構零件完成在水介質中固溶處理工藝提供了最佳的解決方案和手段，為鈦合金材料熱處理強化技術提供了不可多得的設備保障。

1 鈦合金的熱處理強化

1.1 鈦合金的分類

鈦合金可分為三類，鈦合金分類的三維相圖是較為明顯的示意圖，見圖1所示。

圖1 鈦合金分類的三維示意相圖

α鈦合金，包括工業純鈦，TA5(Ti-4Al-0.005B)、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)等，該類合金不能通過熱處理強化，只能退火，組織穩定，常溫強度不高。

近α鈦合金，該合金含有少量的β穩定元素（2%），組織中含有7%-15%的β相，如材料牌號：TC1(Ti-2Al-1.5Mn)、 TC2(Ti-4Al-1.5Mn)，該類材料對熱處理制度不敏感。

α+β鈦合金，又稱馬氏體α+β型鈦合金，含有15%-40% β相，典型代表材料TC4(Ti-6Al-4V)、熱強鈦合金TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)、制造緊固件的典型代表材料TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)等，它們可以通過熱處理強化，即：固溶處理+時效（彌散強化）。

亞穩定β型鈦合金，材料含有臨界濃度的β穩定元素。該類合金經退火后具有良好的加工性，可以熱處理強化，經淬火+時效處理后可以達到很高的強度，并且亞穩定β型鈦合金在室溫強度、斷裂韌性和淬透性優于α+β鈦合金，典型代表材料牌號TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)、TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)和TB8（Ti-15Mo -3Al-2.7Nb-0.2Si），TB8(β21s)鈦合金為高強度鈦合金，高溫性能良好，具有優良的冷軋和冷成型性，是公認的用于飛機上高強度彈簧材料。

穩定β型鈦合金，β穩定元素的含量超過一定數值后β轉變溫度就會降到室溫以下，金相組織為單相β組織，代表牌號美國Alloy C(Ti-35V-15Cr)

1.2  鈦合金冷卻過程的相變

鈦合金被裝入真空爐加熱后，精確控制鈦合金零件冷卻的相變過程，從而得到不同的組織結構。熱處理強化的基礎是鈦合金加熱及冷卻產生相變，鈦合金自高溫快速冷卻時，發生馬氏體相變，β相可以轉變為馬氏體（六方馬氏體α＇或斜方馬氏體α＇＇）、ω相或過冷β相（即β＇）。以Ti-5Cr-3Al鈦合金為例[5]，闡明亞穩定β相等溫轉變過程，如圖2所示。

圖2 鈦合金Ti-5Cr-3Al的時間-溫度-轉變相圖

從圖2中可以看出，冷卻時β相發生轉變，如果工藝過程要得到馬氏體相變，只有加大冷卻速度：當合金從固溶溫度快速冷卻（水中淬火），β相→α＇（hcp，馬氏體）；當冷卻速度較慢時（油中冷卻），部分β相→ω相（三角結構）；當冷卻速度更低時（加壓充氣冷卻），β相→α＇+ω；當冷卻速度非常低時（空氣冷卻），β相→α+β；在520 ℃～720 ℃范圍內，當冷卻速度非常緩慢（或在共析溫度以下長時間等溫加熱），發生共析分解β相→α+TiCr2(化合物)，即α相在原始的β相界形核并長大。

因此，實現鈦合金材料的熱處理強化，淬火是鈦合金熱處理強化的必要前提，淬火過程的冷卻速度起決定因素。

1.3 鈦合金熱處理強化特點

鈦合金在加熱和冷卻過程中會發生相變，對于不同合金體系可以通過控制其各自的相變過程，從而得到不同的組織結構。通過不同介質的鈦合金冷卻試驗，可以發現鈦合金熱處理強化特點主要表現為：

（1）淬火過程應盡量避免形成ω相，ω相會使材料變脆，當然，采用高溫時效可使ω相分解；

（2）反復熱處理相變不能細化鈦合金晶粒，這點不同于鋼鐵材料；

（3）α+β型鈦合金熱處理淬火后淬透性不高，淬火熱應力大，很易引起長桿狀零件變形，因此長桿狀工件只能豎向裝入爐內加熱，并縱向進入淬火介質內，基于工件減少變形研發的立式真空淬火爐為鈦合金熱處理過程適當地減少淬火變形提供了條件；

（4）馬氏體相變不能使鈦合金得到強化，只能通過淬火時形成的穩定相（包括馬氏體相）的時效分解，即彌散強化。熱處理強化對α鈦合金是無效的，熱處理強化主要用于α+β型鈦合金和β型鈦合金。

2 加熱/冷卻方式對鈦合金熱處理強化的影響

2.1 鈦合金強化的熱處理工藝

鈦合金熱處理強化工藝如圖3所示。鈦合金固溶處理溫度越高，經時效后彌散強化效果越明顯，但是如果溫度高于β轉變溫度（即相變點）淬火，因α相消失，β相晶界移動加快，會引起晶粒過分粗大而導致脆性。實際證明，固溶處理溫度一般低于(α+β)/β相變點30 ℃～110 ℃合理選擇，對于合金元素較低的α+β型鈦合金選用較高溫度淬火，以便得到更多的馬氏體相。合金元素較高的α+β型鈦合金選用較低溫度淬火，以便得到較多的亞穩β相，經時效后強化效果更明顯。此外，保溫時間延長對鈦合金組織影響不敏感。

圖3鈦合金熱處理工藝示意圖

1-加熱; 2-保溫; 3-水冷; 4-時效

2.2 真空加熱環境對鈦合金熱處理的影響

Ti是一種化學活性很高的金屬，在高溫下Ti很容易與C、N、O、H等發生強烈反應，并對鈦合金材料本身性能帶來不利影響，例如鈦合金與O反應使材料表面形成富氧層，使之性能下降；鈦合金加熱時容易吸H，引起氫脆。

真空狀態下加熱是最理想的“氣氛”，見表1。

表1數據說明，真空狀態下加熱實質上是在非常稀薄的氣氛下加熱，當熱場真空達到10-3 Pa時，可以實現鈦合金的光亮處理。

本文所論述的真空水淬爐采用無碳元素的金屬屏熱場，輔以高真空加熱友好環境，爐膽的加熱元件為鉬鑭合金帶，隔熱屏是由鉬屏+不銹鋼屏組成復合隔熱屏，對鈦合金而言是一個清潔的加熱場；真空系統配置了三級泵組，即：機械泵+羅茨泵+擴散泵，可以得到相當雜質含量≤0.01 ppm的氣氛加熱環境，為鈦合金光亮、無氧化熱處理強化提供安全保障。

2.3 熱場爐溫均勻性對鈦合金熱處理的影響

鈦合金導熱性差，導熱系數只有鐵的1/5，如果熱場爐溫均勻性不夠，很容易造成零件局部溫度過高，致使局部過熱，超過β轉變點形成魏氏組織。

立式真空水淬爐選用950℃進行爐溫均勻性測試，9點測溫，設備熱場測試結果見圖4。型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐熱場有效區內爐溫均勻性達到了≤±3 ℃。

圖4 立式真空水淬爐爐溫均勻性測試示意圖

2.4  冷卻介質對鈦合金固溶過程的影響

真空熱處理技術是根據組織性能要求和構件材料的相變規律，選擇適合的冷卻介質，使得真空加熱的材料和構件在真空環境下按照要求的冷卻速度冷卻至出爐溫度。真空熱處理常用冷卻介質包括：真空淬火油、非含氧氣體以及水，選擇不同的冷卻介質具有不同的冷卻速率，如圖5所示。

圖5 鈦合金固溶處理冷卻方式圖

真空油淬冷卻利用的冷卻介質為真空淬火油，該技術可以替代鹽浴、氣氛保護熱處理，在獲得理想的心部組織和力學性能的同時，保證表面的光潔，特別適用于中、高合金鋼的淬火[7]。目前，真空油淬技術在我國熱處理行業應用廣泛，通過長期的設備、工藝、淬火油品質的改進，真空油淬技術較為成熟。但是，由于其冷卻速率較慢（低于水淬），在鈦合金熱處理過程中如果控制不得當，容易形成脆性ω相；另一方面，鈦合金工件高溫加熱入油后，在工件表面與油蒸汽接觸反應瞬間形成增碳，不利于鈦合金性能的提高，因此不太適用于鈦合金的真空熱處理。

真空氣淬冷卻利用的非含氧型氣體作為冷卻介質，其特點是在一定范圍內，隨著爐內氣體壓力的提高，冷卻速度可以隨之提高。真空氣淬常用的冷卻氣體是：N2、H2、He和Ar，它們的導熱能力有很大差別，H2的冷卻能力最強，He次之，N2第三，Ar最次。使用40bar H2超高壓氣淬，其冷卻速度可以接近水淬速度，但H2使用較為危險，同時鈦合金高溫時容易吸H，引起氫脆，因此不能作為鈦合金真空熱處理的冷卻介質；使用20bar He超高壓氣淬，其冷卻速率介于油和水之間，可以取代真空油淬，但He和Ar價格太高，淬火后還需考慮回收，熱處理成本過高而不能作為鈦合金真空熱處理的主要冷卻介質；N2廉價、安全，但是冷卻能力較差，且高溫下與Ti發生強烈反應，降低鈦合金材料性能。該技術也不適用于鈦合金固溶強化處理。

真空水淬技術用水作為淬火介質，特別適用于鈦合金工件的固溶處理。真空水淬的工件在真空條件下完成無氧化加熱之后，迅速轉移至淬火水槽，得到所需的固溶組織。目前國際上發達國家正在研究鈦合金真空水淬的新工藝與新裝備，試圖降低鈦合金真空熱處理生產成本，改善性能，提高產品質量。

中國某公司使用型號VVWQ-3030D 立式真空水淬爐對鈦合金材料Ti-6Al-2Zr-2Sn-1Cr-2Nb做了不同介質的冷卻實驗，結果如圖6所示。

圖6 鈦合金固溶處理金相照片(a) 水冷; (b) 油冷; (c)空冷

綜上所述，選擇不同的冷卻介質對鈦合金固溶處理的組織結構影響較大，只有淬火介質選擇水，快速冷卻才會得到理想的馬氏體相變，淬火冷卻速度決定固溶質量，對鈦合金彌散強化起至關重要的作用。

3 真空水淬爐研究現狀及發展趨勢

3.1 臥式真空水淬爐的局限

目前，鈦合金真空水淬主要采用傳統的臥式真空水淬爐。傳統的臥式真空水淬爐由臥式真空油淬爐演變而來，不同之處在于淬火介質由油改成了水，這樣帶來了諸多缺點：

1、工件轉移時間長（大于10s，如圖7所示）；

2、污染加熱室；

3、真空泵油乳化，污染環境；

4、需氬氣洗爐，運行成本高。

圖7 臥式真空水淬爐工件轉移過程軌跡示意圖

鑒于此，頂立科技開發了新一代VVWQ系列立式真空水淬爐設備，專門用于鈦合金材料的真空熱處理。該設備除了具有高真空加熱，水介質中淬火固溶外，還能夠精確控制被處理的鈦合金零件從加熱室到淬火室轉移時間，最大限度地減少零件的熱處理畸變，經真空熱處理后鈦合金工件表面光亮，為鈦合金材料熱處理強化技術提供了設備保障。

3.2 立式真空水淬爐結構及特點

立式真空水淬爐結構示意圖，如圖8所示：

圖8 立式真空水淬爐結構示意圖

設備主要技術參數如下：

最高溫度：1 350 ℃；工作范圍：550℃ ~ 1 250 ℃；溫度均勻性：≤±3 ℃；加熱室真空度：≤5×10-3 Pa；加熱室壓升率：≤0.5 Pa/h；淬火室真空度：≤10 Pa；淬火室壓升率：≤0.5 Pa/h；淬火延遲時間：≤6 s；淬火介質溫度：10-15 ℃。

3.2.1 加熱室結構及特征

熱室爐殼由雙層鋼板卷筒焊接而成，夾層內通冷卻水構成冷壁，因此設備對周邊環境無任何污染和溫度輻射影響。熱室上裝有向熱場輸入電能的水冷電極接口、引入控溫熱電偶接口、爐溫均勻性測量接口，以及真空系統接口、分壓充氣管路接口、真空規管座接口和放氣閥等接口。熱場由3層鉬屏和3層不銹鋼屏組成隔熱屏，加熱帶由鉬鑭合金板制成并連接到水冷電極，通過水冷電極引入低電壓大電流的電能，熱場承載框架由不銹鋼金屬板構成，使用鉬桿將鉬屏及不銹鋼屏固定在爐膽金屬板上，因此爐膽本身是一個整體式結構。鉬鑭合金加熱帶被均勻布置在爐膽內部的四周，模塊化設計，更換方便。加熱室配置“S”型雙芯熱電偶，1支控制、另1支記錄和保障安全，熱電偶補償導線接通帶有積分比例帶和數字顯示功能的歐陸2604控溫儀表，通過可控硅調壓器調整變壓器一側電壓進而完成對熱場溫度精確控制，加熱室真空管道連接到由滑閥泵、羅茨泵、擴散泵三級泵組組成的高真空系統，可使熱場真空度達10-3 Pa級，本加熱室全部為金屬屏組成，對鈦合金而言是一個無碳元素的清潔、理想的熱場。

3.2.2 淬火室結構及特征

淬火室是一個圓筒型特殊結構，內裝淬火水介質，配有一套用于橫向轉移的機械傳動系統，實現淬火室三個工位運轉，運轉工位最重要一個是與加熱室的對接工位，只有完成雙室對接，才可完成水介質中淬火。淬火室內部裝有1套升降機運載系統，用于被處理的鈦合金工件送到加熱室，當完成固溶加熱后，升降機將鈦合金工件從加熱室熱場快速轉移到淬火水槽內，完成固溶淬火處理，轉移時間小于6 s。淬火室配有1套獨立的真空系統，目的是確保鈦合金工件在加熱室轉移到淬火室的過程中不被氧化，淬火水槽內配置水溫傳感器、加熱器、制冷系統、水位傳感器及1套水攪拌系統，以便實現對淬火介質溫度的精確控制，水攪拌系統對淬火介質強烈攪拌以便提升冷卻效果，給予鈦合金工件更均勻的冷卻。

3.2.3 立式真空水淬爐優勢

鈦合金工件加熱、保溫結束后，由加熱室進入水介質，直至工件全部浸沒，完成固溶處理的整個轉移過程所耗費的時間為淬火延遲時間。淬火延遲時間理論上越小越好，否則隨著延遲時間的增加，鈦合金工件表面的溫度下降，對鈦合金材料發生馬氏體相變及顯微組織十分不利，進而影響性能。尤其對α+β鈦合金，實踐經驗表明：淬火延遲時間應該控制在8s以下，否則組織上的α相將首先在原始β相界形核并長大，嚴重影響鈦合金淬火狀態的力學性能。

圖9為立式真空水淬爐所處理工件從加熱室轉移到淬火室的軌跡示意圖。圖示表明：工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理，僅需垂直降落，無∏型運行軌跡，工件運轉時間相對縮短，可達到＜6 s，且無水蒸氣污染真空泵組，相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優越性。除此之外，采用立式結構，十分適用于淬透性不強，長桿狀結構的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理，畸變量十分微小。

圖9 立式真空水淬爐工件轉移過程軌跡示意圖

3.3  立式真空水淬爐使用效果

中國某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設備專門處理TC4鈦合金，工件尺寸外形：Φ 20×200 mm，工藝內容：固溶+時效（見表2與表3），取得了良好的效果（見表4）。

4 結論

（1）鈦合金相變強化離不開真空熱處理，尤其是要完成真空水淬工藝（固溶處理），更需要特殊的專業設備，VVWQ系列立式真空水淬爐是針對鈦合金相變強化而研制的不可多得的、熱處理配套設備，設備熱場使用金屬屏，輔以高真空加熱環境，徹底杜絕了鈦合金氧化、氫脆等異?，F象，較高的熱場爐溫均勻性，對導熱系數低的鈦合金完成均勻加熱更為適用；

（2）雙室結構上配置可以移動的水淬槽，滿足了鈦合金工件快速進入水介質淬火（固溶）熱處理工藝要求，縱向的、垂直移動的特殊設備結構保證了鈦合金淬火延遲時間小于6 s，并且垂直入水的轉移方式為減少長桿狀工件熱處理畸變提供了可能；

（3）設備經特殊設計，確保工件在淬火過程產生的水蒸汽對加熱室無影響，水蒸汽對真空系統及泵組無污染。經過不同廠家實際使用證明，設備結構新穎、技術先進，不僅適用于鈦合金固溶處理，而且還可擴展應用于鈹青銅、鋁合金、鎳基及鈷基高彈性合金、410不銹鋼等真空加熱水介質固溶處理，具有廣泛的應用前景。

（4）傳統的臥式真空水淬爐轉移時間較長，已經不再適應現代化鈦合金熱處理工藝的要求，立式真空水淬是鈦合金真空熱處理發展的主要方向之一，立式真空水淬爐是今后真空熱處理裝備發展的必然趨勢。