| 标准编号 | GB/T 37584-2019 (GB/T37584-2019) | | 中文名称 | 钛及钛合金制件热处理 | | 英文名称 | Heat treatment of titanium and titanium alloy parts | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | J36 | | 国际标准分类 | 25.200 | | 字数估计 | 22,239 | | 发布日期 | 2019-06-04 | | 实施日期 | 2019-10-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 37584-2019
Heat treatment of titanium and titanium alloy parts
ICS 25.200
J36
中华人民共和国国家标准
钛及钛合金制件热处理
2019-06-04发布
2019-10-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅰ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 2
4 材料 2
5 设备与工装 4
6 热处理工艺与过程控制 6
7 生产操作与过程控制 11
8 质量控制与检验 15
9 技术安全与节能环保 17
10 人员资质 18
附录A(资料性附录) 最大等效圆(ER)值的计算方法 19
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
本标准由全国热处理标准化技术委员会(SAC/TC75)提出并归口。
本标准起草单位:中国航发北京航空材料研究院、北京机电研究所、山东天瑞重工有限公司、北京新
立机械有限责任公司、贵州航宇科技发展股份有限公司。
本标准主要起草人:佟小军、贺瑞军、李俏、孙枫、李永胜、孙晓哲、谢撰业。
钛及钛合金制件热处理
1 范围
本标准规定了钛及钛合金制件(半成品及零件)热处理的材料、设备与工装、热处理工艺与过程控
制、生产操作与过程控制、质量控制与检验、技术安全与节能环保和人员资质等要求。
本标准适用于钛及钛合金制件的热处理。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法
GB/T 228.2 金属材料 拉伸试验 第2部分:高温试验方法
GB/T 229 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法
GB/T 232 金属材料 弯曲试验方法
GB/T 3620.1 钛及钛合金牌号和化学成分
GB/T 4161 金属材料 平面应变断裂韧度KIC试验方法
GB/T 4698.15 海绵钛、钛及钛合金化学分析方法 氢量的测定
GB/T 4842 氩
GB/T 4844 纯氦、高纯氦和超纯氦
GB 5226.1 机械电气安全 机械电气设备 第1部分:通用技术条件
GB 5959.4 电热装置的安全 第4部分:对电阻加热装置的特殊要求
GB/T 6611 钛及钛合金术语和金相图谱
GB/T 7232 金属热处理工艺 术语
GB/T 10066.1 电热设备的试验方法 第1部分:通用部分
GB/T 10067.1 电热装置基本技术条件 第1部分:通用部分
GB/T 10067.4 电热装置基本技术条件 第4部分:间接电阻炉
GB 15735 金属热处理生产过程安全、卫生要求
GB/T 23603 钛及钛合金表面污染层检测方法
GB/T 27946 热处理工作场所空气中有害物质的限值
GB/T 30822 热处理环境保护技术要求
GB/T 30825 热处理温度测量
GB/T 32541 热处理质量控制体系
HB/Z344 钛合金酸洗工艺及质量检验
JB/T 6955 热处理常用淬火介质技术要求
JB/T 13026 热处理用油基淬火介质
3 术语和定义
GB/T 6611、GB/T 7232、GB/T 23603和GB/T 30825界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
β相开始向β+α两相发生固态相变转变的温度。
注:对于一种钛合金,一般依据其名义成分定义一个名义β转变温度;随着每批次钛合金的实际成分与名义成分的
偏离,实际β转变温度与名义β转变温度也会产生偏离,故每批次钛合金的实际成分确定了该批次钛合金的实
际β转变温度。
3.2
固溶处理 solutiontreatment
在一定温度(通常为β转变温度以下15℃~40℃)保温足够时间使可溶组分充分溶入固溶体的加
热处理。
注:固溶的冷却方式通常为水冷、油冷或空冷。
3.3
β退火 betaannealing
将钛合金加热到β转变温度以上进行的退火处理。
注:根据合金种类和使用目的不同,β处理也可用于钛合金的固溶处理。
3.4
制件在含氢环境中加热或化学加工及酸洗处理中吸氢的过程。
注:氢在钛中的扩散是可逆的,通常在700℃左右的真空处理即可除氢。
3.5
污染层 contaminatedcase
α层
制件在含氧、氮、碳的气氛中加热,当表面温度达到一定范围时,这些元素会扩散渗入产品表面,从
而产生由于α稳定剂引起的污染,形成富集氧、氮和碳的硬而脆的表层。
4 材料
4.1 常用钛及钛合金牌号及热处理
4.1.1 常用合金类型及牌号
4.1.1.1 钛及钛合金可以根据不同目的按不同原则分类。通常按不同退火组织形态分类,则可将钛合
金分为α合金、α-β合金、β合金等几种类型。GB/T 3620.1中常用钛及钛合金材料类型和牌号及名义
成分见表1。
表1 常用钛及钛合金牌号及名义成分
名称 牌号 名义成分
α钛合金
TAl
TA2
TA3
工业纯钛
TA7 Ti-5Al-2.5Sn
TA11 Ti-8Al-1Mo-1V
TA15 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V
TA18 Ti-3Al-2.5V
TA19 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
TA21 Ti-1Al-1Mn
TC1 Ti-2Al-1.5Mn
TC2 Ti-3Al-1.5Mn
α-β钛合金
TC4、ZTC4 Ti-6Al-4V
TC6 Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.3Si-0.5Fe
TC10 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe
TC11 Ti-6.5Al-3.3Mo-1.5Zr-0.25Si
TC16 Ti-3Al-5Mo-4.5V
TC17 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr
TC18 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe
TC19 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo
TC21 Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Sn-2Zr-2Nb
ZTC3 Ti-5Al-2Sn-0.25Si
ZTC5 Ti-5.5Al-3.0Mo-1.5V-1Fe-1Cu-1.5Sn-3.5Zr
β钛合金
TB2 Ti-3Al-5V-5Mo-8Cr
TB3 Ti-10Mo-8V-1Fe-3Al
TB5 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al
TB6 Ti-10V-2Fe-3Al
4.1.1.2 钛及钛合金材料应符合相应的材料标准或规范规定,规格应满足制件需要或客户要求。
4.1.2 钛合金的热处理
4.1.2.1 钛合金热处理通常可分为非强化热处理和强化热处理。α型钛合金的热处理一般为非强化热
处理,α-β型钛合金和β型钛合金的热处理一般为强化热处理。
4.1.2.2 钛合金的非强化热处理通常采用退火(包括普通退火、双重退火和等温退火等),强化热处理通
常采用固溶+时效处理。当需要消除或减少钛合金制件在铸造、冷热变形、焊接、机械加工时产生的残
余应力时,应采用非强化热处理;当需要获得设计的综合性能或某种特殊性能(如断裂韧性、疲劳性能或
热强性能等)时,应采用强化热处理。
4.1.2.3 β型钛合金制件和其他经过固溶处理但未经时效处理的制件不应进行退火和去应力退火。
4.2 常用工艺材料
4.2.1 热处理用气体
4.2.1.1 钛及钛合金制件热处理用气体一般为空气和惰性气体。惰性气体通常为高纯氩、高纯氦或两
者的混合气,高纯氩和高纯氦应分别符合GB/T 4842和GB/T 4844的规定。也可以采用其他符合工
艺要求的惰性气体。
4.2.1.2 当采用工艺文件规定的其他气体时,其技术指标应满足工艺文件要求。
4.2.2 冷却介质
4.2.2.1 冷却介质为油时,应符合JB/T 13026的规定;介质为水或水溶液时应符合JB/T 6955的要求。
4.2.2.2 冷却介质的使用温度应不高于产品规定的温度范围。油冷时油的起始温度应控制在15℃~
70℃范围,冷却过程中油温最高应在淬火油开口闪点以下80℃范围。
4.2.2.3 采用水或水溶液冷却时,介质起始温度应不高于40℃。
5 设备与工装
5.1 设备
5.1.1 加热设备
5.1.1.1 通用要求
5.1.1.1.1 钛及钛合金制件可以用空气炉、惰性气体保护炉或真空炉等进行热处理。不应使用盐浴炉
和流态床炉。
5.1.1.1.2 用于各类钛合金制件热处理的加热炉内均不应含有对制件产生不良影响的材料和/或介质。
设备的加热特性应满足制件热处理工艺和工艺规范要求。
5.1.1.1.3 当处理的制件有炉内冷却速率要求时,设备应具有适应工艺要求的冷速控制功能和控制装
置,且冷速应满足工艺文件或客户要求。
5.1.1.1.4 应保证氢、氧、氮、碳对制件的污染程度最低,并保证热处理后的制件满足相应技术文件的
要求。
5.1.1.1.5 热处理炉设备的分类、温度均匀性检验、系统准确度校验和炉温控制与记录应符合
GB/T 32541的规定。仪表配置类型应不低于GB/T 32541规定的D型配置。
5.1.1.1.6 用于制件退火、固溶处理的加热设备,其温度均匀性应不低于GB/T 32541中Ⅲ类炉的规
定,用于制件时效的加热设备,其温度均匀性应不低于GB/T 32541中Ⅱ类炉的规定。工艺文件另有规
定的,按工艺文件规定执行。
5.1.1.1.7 各类加热设备均应具有相应的炉温均匀性测量和系统准确度校验用温度传感器插入孔或连
接结构或馈入装置(温度控制的液体槽除外)。插入孔、连接结构及馈入装置不应对设备的加热保温性
能和密封性能产生不良影响。
5.1.1.1.8 制件加热后冷却用的真空油淬炉和具有自动淬火功能的其他热处理炉,其淬火转移时间应
保证满足工艺文件要求。
5.1.1.2 空气电阻炉
5.1.1.2.1 空气电阻炉可用于所有类型钛合金半成品件的加热。
5.1.1.2.2 空气电阻炉应有良好的密封性和保温性能,满足均匀加热的要求。用于低于650℃时效处
理的炉子应配置炉气循环风扇。
5.1.1.3 惰性气体保护炉
5.1.1.3.1 惰性气体炉内的惰性气体应循环流动且通畅,以使整炉钛合金制件的所有表面获得保护。
5.1.1.3.2 应保证惰性气体的循环合理,不对炉子的温度均匀性产生不良影响。
5.1.1.4 真空炉
5.1.1.4.1 钛合金件在真空炉中进行加热时,真空炉的极限真空压强应不大于6.7×10-3Pa,冷态压升
率应不大于0.67Pa/h。
5.1.1.4.2 真空炉加热室应具备回充保护气体的功能,并应配备炉气压力测量及显示仪表,对回充气体
的压力进行监测;还应配备露点仪对回充气体的露点进行监测;必要时,应配备炉气压力自动测量、控制
和记录系统。
5.1.1.4.3 真空高压气淬炉的气淬冷却能力应满足制件的工艺要求。
5.1.2 冷却设备
5.1.2.1 淬火槽
5.1.2.1.1 淬火槽的容积应能保证制件在连续生产条件下具备足够的冷却能力和制件在槽中移动的需
要,并应保证制件淬火或时效后达到规定的性能要求。必要时,淬火槽可带机械搅拌等装置(不得采用
压缩气体搅拌)。
5.1.2.1.2 对于具有气淬功能的真空炉,其淬火冷却能力应满足工艺要求;对于具有水淬功能的真空
炉,水冷淬火槽不应对加热室以及设备的真空度产生不良影响。
5.1.2.1.3 对淬火槽液温度有要求时,应配备分辨力不低于3℃的测温仪表。淬火槽应配置槽液冷却
装置,有要求时,应配备加热控温装置。
5.1.2.2 缓冷箱
缓冷箱用于要求在空气中慢冷/缓冷(即,比自然炉冷快但比空冷慢,以下均同)的制件冷却。为满
足制件的缓冷要求,缓冷箱内一般放置铁砂或石英砂或符合工艺要求的其他材料。
5.1.2.3 其他冷却设备或系统
采用连续式炉进行固溶处理的薄板、厚板和带材制件冷却时可采用喷雾或流体淬火冷却系统。该
系统应在制件出炉时以一定的流速将雾状或液态的淬火剂均匀地喷在制件的所有表面并使之保持一段
时间,以保证制件固溶或时效处理后能达到规定的性能要求。
5.1.3 清理和清洗设备
5.1.3.1 制件和工装夹具的清洗和清理应采用专用设备。有温度要求的清洗设备,应配备分辨力不低
于3℃的测温仪表。
5.1.3.2 清洗和清理制件及工装夹具应采用符合制件清洗质量要求的设备、喷砂和喷丸设备;选用的清
洗剂、砂和丸不应对制件和设备产生有害影响。设备应具备抽风和排污处理装置。
5.2 料框、料架和工装夹具
5.2.1 制件热处理用的料筐、料架和工装夹具等应由耐高温材料(如:钛合金、镍基高温合金、不锈钢或
陶瓷材料)制成,且均不得与所承载的钛合金制件发生反应,也不应对热处理设备产生不良影响。不应
使用带有封闭腔体的管材制作工装夹具。如果加热过程中金属的工装夹具与钛合金制件接触可能发生
不良反应时,应使用陶瓷元件隔离。
5.2.2 制件热处理用的料筐、料架和工装夹具应保证加热及冷却介质的循环通畅,并应能控制或减少
制件在加热和冷却过程中的畸变。
6 热处理工艺与过程控制
6.1 热处理工艺
6.1.1 退火热处理
6.1.1.1 退火
钛及钛合金制件的退火(包括普通退火、双重退火、等温退火)处理制度应符合表2的规定。保温时
间可根据制件的最大截面厚度按表2选取,也可根据制件的截面厚度按表3计算确定。
表2 退火制度
合金类型 合金牌号
板材、带材及厚板制件 棒材制件及锻件
加热温度
保温时间
min
冷却方式
加热温度
保温时间
min
冷却方式
α钛合金
TA2、TA3 650~720 15~120 空冷或更慢冷 650~815 60~120
TA7 705~845 10~120 空冷 705~845 60~240
空冷
TA11 760~815 60~480 炉冷a 900~1000 60~120 空冷b
TA15 700~850 15~120 空冷 700~850 60~240 空冷
TA18 650~790 30~120 空冷或更慢冷 650~790 60~180 空冷或更慢冷
TA19 870~925 10~120 空冷 Tβ-(15~30) 60~120 空冷b
TC1 640~750 15~120 空冷或更慢冷 700~800 60~120 空冷或更慢冷
TC2 660~820 15~120 空冷或更慢冷 700~820 60~120 空冷或更慢冷
α-β钛合金
TC4c 705~870 15~60 空冷或更慢冷d 705~790 60~120 空冷或更慢冷
TC6 - - - 800~850 60~120 空冷
TC10 710~850 15~120 空冷或更慢冷 710~850 60~120 空冷或更慢冷
TC11 - - - 950~980 60~120 空冷e
TC16 680~790 15~120 空冷e 770~790 60~120 炉冷后空冷f
TC18 740~760 15~120 空冷 820~850 60~180 炉冷后空冷g
TC19 - - - 815~915 60~120 空冷
表2(续)
合金类型 合金牌号
板材、带材及厚板制件 棒材制件及锻件
加热温度
保温时间
min
冷却方式
加热温度
保温时间
min
冷却方式
α-β钛合金
ZTC3 - - - 910~930 120~210 炉冷
ZTC4 - - - 910~930 120~180 炉冷
ZTC5 - - - 910~930 120~180 炉冷
注:Tβ---β转变温度。
a 炉冷到480℃以下。若双重退火,第二阶段应在790℃保温15min,空冷。
b 随后在595℃保温8h,空冷。
c 当TC4合金制件的再结晶退火用于提高断裂韧度时,通常采用以下制度:在β转变温度以下30℃~45℃,保
温1h~4h,空冷或更慢冷;再在700℃~760℃保温1h~2h,空冷。
d 若TC4合金制件采用双重退火(或固溶处理和退火)时,退火处理制度为:在β转变温度以下30℃~45℃,保
温1h~2h,空冷或更快冷;再在700℃~760℃保温1h~2h,空冷。
e 空冷后在530℃~580℃保温2h~12h,空冷。
f 以2℃/min~4℃/min的速度炉冷至550℃(在真空炉中不高于500℃),然后空冷。
g 复杂退火,炉冷至740℃~760℃保温1h~3h,空冷,再在500℃~650℃保温2h~6h,空冷。
表3 制件厚度与保温时间之间的一般对应关系
最大截面厚度(直径)
mm
保温时间
min
≤3 15~25
>3~6 >25~35
>6~13 >35~45
>13~20 >45~55
>20~25 >55~65
>25 在厚度为25mm、保温60min的基础上,每增加5mm最少增加12min
6.1.1.2 β退火
6.1.1.2.1 对于TC4、TC4ELI、Ti-6Al-6V-2Sn和其他α-β合金,若规定进行β退火,则应在该合金β转
变温度以上25℃±15℃加热并保温不少于30min。制件在空气或惰性气体中冷至环境温度,不应随
炉冷却。
6.1.1.2.2 除合同或图样另有规定外,不应水冷。若采用水冷,TC4、TC4ELI、Ti-6Al-6V-2Sn合金水
冷后还应在730℃~760℃保温1h~3h,进行第二次退火。
6.1.1.3 去应力退火
6.1.1.3.1 制件可在不高于再结晶温度下进行去应力退火,以消除由于机加、冲压、焊接等工艺形成的
内应力。去应力退火所采用的加热温度和保温时间应按表4规定。制件应在真空、空气或惰性气体中
冷却或者随炉冷却。
6.1.1.3.2 对于已经固溶处理+时效强化或经过双重退火的制件,去应力退火的加热温度不应超过时
效温度或第二阶段退火温度。
6.1.1.3.3 对于已固溶但尚未时效处理的制件,不应进行去应力退火。
表4 去应力退火制度
合金类型 合金牌号
加热温度
保温时间
min
α钛合金
TA2、TA3、TA4 480~600 15~240
TA7 540~650 15~360
TA11 595~760 10~75
TA15 600~650 30~480
TA18 370~595 15~240
TA19 480~650 60~240
TC1a 520~580 30~240
TC2a 545~600 30~360
α-β钛合金
TC4b 480~650 60~240
TC6 530~620 30~360
TC10 540~600 30~360
TC11 500~600 30~360
TC16 550~650 30~240
TC17 480~650 60~240
TC18 600~680 60~240
TC21 530~620 30~360
ZTC3 620~800 60~240
ZTC4 600~800 60~240
ZTC5 550~800 60~240
β钛合金
TB2 650~700 30~60
TB3 680~730 30~60
TB5 680~710 30~60
TB6 675~705 30~60
a 与镀镍或镀铬零件接触的TC1和TC2焊接部件和零件的退火,只允许在520℃的真空炉中进行。
b 去应力退火可以在760℃~......
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