Ti55531鈦合金消除應(yīng)力退火工藝研究

李 博，周發(fā)斌

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723200)

Ti55531鈦合金是一種新型高強(qiáng)高韌β型合金，其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。該合金與Ti-1023合金相比，其冶煉、加工成本低，不會(huì)產(chǎn)生明顯的成分偏析，且具有強(qiáng)度優(yōu)異和斷裂強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，特別適合制造必須承受巨大應(yīng)力的零部件，比較適用于結(jié)構(gòu)件和起落架、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架之間連接裝置等，在航空航天工業(yè)中日益受到青睞[1-3]。

中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司新研制的某型機(jī)起落架零件——車架橫梁，采用了Ti55531鈦合金材料作為重要承力件，尚屬國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，基于零件加工需求及國(guó)內(nèi)對(duì)Ti55531鈦合金消除應(yīng)力退火工藝未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道，本工作重點(diǎn)研究了溫度、時(shí)間對(duì)Ti55531消除應(yīng)力程度的影響，并與成熟的TC18鈦合金材料進(jìn)行了對(duì)比，最終確定了Ti55531鈦合金消除應(yīng)力的最佳工藝參數(shù)。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 試件

試件材料為國(guó)產(chǎn)Ti55531鈦合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。試件規(guī)格如圖1所示，表面粗糙度

1.2 保護(hù)涂料

鈦合金非常活潑，在熱處理過(guò)程中很容易受到氫、氧、氮等元素的污染。鈦與氧作用會(huì)生成氧化膜，氧化膜向內(nèi)擴(kuò)散形成塑性很差的富氧α相層；吸氫后容易導(dǎo)致氫含量超標(biāo)，留下氫脆隱患[4-5]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定熱處理可選用真空爐、可控氣氛爐或涂料(Ti-1#和Ti-3#)保護(hù)法3種方式之一，本研究選用涂料保護(hù)后進(jìn)行退火熱處理。

表1 Ti55531鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

圖1 試件規(guī)格

1.3 工藝試驗(yàn)

按不同工藝參數(shù)分別對(duì)試件進(jìn)行退火處理，在試件長(zhǎng)度方向選取不同點(diǎn)用殘余應(yīng)力測(cè)試儀檢測(cè)應(yīng)力；用拉伸試驗(yàn)機(jī)WDW-500測(cè)試抗拉強(qiáng)度；用氫含量測(cè)試儀ONH836檢測(cè)氫含量；用金相顯微鏡BX41M檢測(cè)富氧α相，并做好記錄。

1.3.1 不同溫度下的退火試驗(yàn)

1)固定退火時(shí)間3 h，采用空冷的冷卻方式。對(duì)試件分別在700、680、660、640、620和600 ℃條件下，退火處理并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2和表3。

表2 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

表2和表3結(jié)果表明，氫含量、富氧α相均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；應(yīng)力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為220.4～238.7 MPa；抗拉強(qiáng)度為1 240～1 320 MPa，其中部分超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)固定退火時(shí)間3 h，采用空冷的冷卻方式。對(duì)試件分別在580、560、540、520、500和480 ℃條件下，退火處理并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表4和表5。

表3 富氧α相和氫含量測(cè)試結(jié)果

表4 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

表5 富氧α相和氫含量測(cè)試結(jié)果

表4和表5結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度為1 220～1 250 MPa；氫含量、富氧α相均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；應(yīng)力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為178.5～210.4 MPa。

3)固定退火時(shí)間3 h，采用空冷的冷卻方式。對(duì)試件分別在440、420、400、380和360 ℃條件下，退火處理并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表6和表7。

表6 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

表7 富氧α相和氫含量測(cè)試結(jié)果

表6和表7結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度為1 220～1 240 MPa；氫含量、富氧α相均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；應(yīng)力消除程度Δf(Δf=f1-f2)為145.1～168.4 MPa，消除應(yīng)力程度最低。

4)不同溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度及應(yīng)力消除程度的影響分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

由圖2和圖3可知，選擇500～640 ℃消除應(yīng)力退火時(shí)，既能保證Ti55531鈦合金材料退火后的抗拉強(qiáng)度完全合格，又能保證消除應(yīng)力程度適中。

圖3 不同溫度對(duì)應(yīng)力消除的影響

1.3.2 不同退火時(shí)間下的工藝試驗(yàn)

固定退火溫度為500～640 ℃區(qū)間內(nèi)任意一點(diǎn)，例如580 ℃，退火時(shí)間分別按0.5 h、1 h、2 h、3 h、…、8 h進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。應(yīng)力消除程度隨著時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

表8 應(yīng)力、富氧α相和氫含量檢測(cè)結(jié)果

圖4 不同時(shí)間應(yīng)力消除程度

表8結(jié)果表明，富氧α相、氫含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖4可知，同種規(guī)格下，應(yīng)力消除程度隨著時(shí)間的增加，程度較明顯，但時(shí)間超過(guò)3 h后，應(yīng)力消除量趨于平穩(wěn)，故該材料消除應(yīng)力時(shí)間≥3 h。

1.3.3 Ti55531與TC18 M對(duì)比試驗(yàn)

用近β型鈦合金中較為成熟的材料TC18 M與Ti55531進(jìn)行對(duì)比，分別在640、620、600、580、540、520和500 ℃條件下退火3 h，空冷。TC18 M退火前f1=920.8 MPa，退火后應(yīng)力f2檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 TC18 M退火后應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)在消除應(yīng)力時(shí)間相同的條件下，相對(duì)較高的溫度有利于Ti55531鈦合金應(yīng)力的消除。

2)在溫度相同的條件下，延長(zhǎng)時(shí)間有利于應(yīng)力的消除，但時(shí)間超過(guò)某點(diǎn)時(shí)，消除程度明顯減緩。

3)Ti55531鈦合金退火消除應(yīng)力的最佳溫度為500～640 ℃，時(shí)間≥3 h。