Ti 6Al4V鈦合金薄壁件熱校形試驗(yàn)研究*

徐建軍， 王 偉， 楊吟飛， 史春玲， 陶 杰

(1.南京航空航天大學(xué) a.機(jī)電學(xué)院；b.材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016；2.中航飛機(jī)股份有限公司 西安飛機(jī)分公司，西安 710089)

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Ti 6Al4V鈦合金薄壁件熱校形試驗(yàn)研究*

徐建軍1a， 王 偉1b， 楊吟飛1a， 史春玲2， 陶 杰1b

(1.南京航空航天大學(xué) a.機(jī)電學(xué)院；b.材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016；2.中航飛機(jī)股份有限公司 西安飛機(jī)分公司，西安 710089)

為了探討熱校形過(guò)程中各種因素對(duì)熱校形效果的影響，文章設(shè)計(jì)了薄壁件熱校形工裝，通過(guò)單因素?zé)嵝Ｐ卧囼?yàn)，研究了最高退火溫度的變化，升降溫速率的快慢以及保溫時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)Ti6Al4V薄壁件熱校形效果的影響，掌握了熱校形效果隨著不同熱處理工藝參數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)退火溫度從550℃逐步升高到650℃時(shí)，熱校形效果提高了35.2%，保溫時(shí)間由1h延長(zhǎng)到3h時(shí)，熱校形效果提高了29.6%，升溫速率的降低會(huì)提高熱校形效果，冷卻速率的改變對(duì)熱校形效果的影響不大。文章熱校形試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律的把握以及最終的理熱處理工藝參數(shù)的確定，為航空航天整體薄壁件實(shí)際熱校形試驗(yàn)提供了重大參考借鑒和指導(dǎo)作用。

鈦合金；薄壁件；熱處理；熱校形

0 引言

鈦與鈦合金薄壁件由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高低溫性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在航空、航天、醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。由于常溫下鈦合金的屈服強(qiáng)度與彈模量比值很大，鈦合金薄壁件在機(jī)械加工后由于殘余應(yīng)力的存在，使得回彈現(xiàn)象嚴(yán)重，文獻(xiàn)[4-6]在測(cè)量鈦合金零件加工引起的殘余應(yīng)力以及預(yù)測(cè)由其產(chǎn)生的零件的變形方面都做出了較為系統(tǒng)的研究，不過(guò)其并未提出一個(gè)有效的解決變形問(wèn)題的方案，最終使得常溫下成形的薄壁件很難達(dá)到精度要求，因此常常需要增加校正工藝來(lái)減少機(jī)械加工后產(chǎn)生的尺寸超差或形狀畸變。對(duì)于變形量較小的薄壁件也可在校正過(guò)程后直接校形。目前，常用的校形方法有人工校形，時(shí)效校形，火焰校形和激光校形等[7-10]，這幾種校形方法在很大程度上均依賴(lài)于操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，并沒(méi)有形成詳細(xì)統(tǒng)一的校形工藝，操作人員操作水平的高低對(duì)校形效果的影響較大。南京航空航天大學(xué)周兆鋒等人開(kāi)發(fā)了高頻感應(yīng)加熱熱應(yīng)力校形工藝，利用高頻感應(yīng)加熱來(lái)代替火焰加熱或籍貫加熱對(duì)板料進(jìn)行熱校形，這種熱校形工藝校形時(shí)間長(zhǎng)、成本投入大。國(guó)外約有80%的鈦合金薄壁件采用了熱處理校形工藝[11-12]，這種熱處理校形工藝參數(shù)具有極高的保密性，國(guó)內(nèi)對(duì)鈦合金薄壁件熱處理校形工藝參數(shù)的確定沒(méi)有形成成熟的規(guī)定。本文研究影響鈦合金薄壁件熱校形的不同因素[13]，對(duì)于正確掌握熱校形規(guī)律，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇熱處理工藝參數(shù)具有重大指導(dǎo)意義。

本文采用退火熱校形工藝，設(shè)計(jì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火夾具，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，研究退火溫度，升降溫速率和保溫時(shí)間對(duì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件熱校形效果的影響。同時(shí)，將熱校形后鈦合金薄壁件變形與熱校形前初始變形進(jìn)行對(duì)比分析，探討Ti6Al4V薄壁件熱校形規(guī)律，確定了合理的熱校形工藝參數(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)對(duì)退火熱校形規(guī)律把握的不足，為航空航天整體結(jié)構(gòu)薄壁件確定實(shí)際熱校形工藝參數(shù)提供實(shí)際參考和指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

鈦合金退火工藝采用去應(yīng)力退火方式，試樣尺寸為120mm×25mm×1mm的薄板試樣，試樣采用線切割方法獲取試樣以避免形成新的內(nèi)應(yīng)力[14]，最終得到的試樣如圖1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鈦及鈦合金的熱處理》[15]制定，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ti6Al4V鈦合金去應(yīng)力退火溫度為480℃～650℃之間，保溫時(shí)間為1h～6h，在空氣或者惰性氣體中冷卻或者隨爐冷卻。本文退火溫度范圍為550℃～650℃，保溫時(shí)間為1h～3h，冷卻速率為1℃/min～15℃/min，升溫速率為2℃/min～20℃/min。為了降低鈦合金表層氧化而影響變形測(cè)試，退火熱處理均在真空爐中進(jìn)行。通過(guò)對(duì)試樣同一位置熱處理前后的變形測(cè)量，確定熱校形的大小，從而把握不同熱處理工藝參數(shù)的影響規(guī)律。

圖1 被測(cè)Ti6Al4V試樣

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

(1)真空爐：熱處理試驗(yàn)在WZDJQ-20型單室真空氣淬爐中進(jìn)行，其具有加壓(絕對(duì)壓力0.2MPa)氣冷功能的真空熱處理設(shè)備，適用于高速鋼、高合金工模具鋼、不銹鋼等材料的真空氣冷淬火、退火及磁性材料的燒結(jié)及快速冷卻等[16]。

(2)測(cè)量系統(tǒng)：設(shè)計(jì)搭建了Ti6Al4V鈦合金薄壁件變形測(cè)量平臺(tái)示意圖如圖1所示，采用基恩士激光位移傳感器LK-G30進(jìn)行試驗(yàn)變形測(cè)量。通過(guò)測(cè)得試樣變形前后的撓度的變化可以得到其變形量[3]。試樣變形測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 利用激光位移傳感器測(cè)量試樣變形的平臺(tái)

(3)工裝結(jié)構(gòu)：試樣尺寸為120mm×25mm×1mm 的Ti6Al4V鈦合金薄壁件。設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。上下夾具之間采用螺栓連接。夾具內(nèi)表面為半徑2800mm的圓弧面，夾具材料為1Cr18Ni9不銹鋼。夾具松開(kāi)，將試樣放入夾具中，如圖3a所示，后通過(guò)夾具兩頭的螺栓將夾具加緊，使得其中的試樣按照夾具的圓弧面進(jìn)行彎曲，如圖3b所示。

(a)工件放入夾具中

(b)夾具加緊工件后

1.2 試驗(yàn)方案

在圖3所示的工裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究工藝參數(shù)對(duì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火變形校正的影響，對(duì)比研究不同退火溫度、保溫時(shí)間、升溫速率以及冷卻速率對(duì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火變形校正的影響規(guī)律，掌握工藝參數(shù)對(duì)退火變形校正的影響規(guī)律。

為了研究退火溫度對(duì)熱處理變形校正的影響，薄板分別在不同的溫度下進(jìn)行退火處理，升溫速率為20℃/min，保溫時(shí)間為1h，隨爐冷卻。

同時(shí)為了探討升溫速率、保溫時(shí)間以及冷卻方式對(duì)熱處理變形校正的影響，分別進(jìn)行四組熱處理變形校正試驗(yàn)，設(shè)定對(duì)照A熱處理工藝為退火溫度為650℃，升溫速率為20℃/min，保溫時(shí)間為1h，隨爐冷卻，其結(jié)果作為參考。試驗(yàn)組B為研究升溫速率的影響，升溫速率為20℃/min加熱到300℃，隨后以2℃/min加熱到650℃，其它工藝參數(shù)和A組一致；試驗(yàn)組C為研究保溫時(shí)間對(duì)熱處理變形校正的影響，保溫時(shí)間為3h，其它工藝參數(shù)與A組一致；試驗(yàn)組D以1℃/min的冷卻速率冷卻到300℃，隨后隨爐冷卻，其它工藝參數(shù)與A組一致。其對(duì)應(yīng)表格如表1所示。

表1 熱校形試驗(yàn)對(duì)照組

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用圖3所示的工裝結(jié)構(gòu)對(duì)試樣進(jìn)行裝夾，在真空率中進(jìn)行退火處理試驗(yàn)，分別取退火溫度為550℃、580℃、600℃、620℃和650℃，隨后進(jìn)行隨爐冷卻。并在圖1所示測(cè)量平臺(tái)上測(cè)量試樣退火處理后的撓度，并與其初始撓度進(jìn)行對(duì)比，最終獲得不同退火溫度下的試樣撓度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同溫度下熱校形效果圖

從圖5中可以看出，隨著退火溫度的升高，熱處理后試樣變形總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。為進(jìn)一步對(duì)比分析退火溫度對(duì)熱校形效果的影響，分別針對(duì)不同退火溫度下熱校形的試樣，對(duì)其初始撓度值與退火后撓度值求取平均值，最終得到熱校形平均變形量如圖6所示。

圖5 Ti6Al4V薄壁件在不同溫度下熱校形效果對(duì)比圖

圖5表明，當(dāng)溫度由550℃升高到580℃的過(guò)程中，試樣經(jīng)退火校正后的變形量相對(duì)較小，這主要?dú)w結(jié)于退火溫度并未達(dá)到Ti6Al4V鈦合金的蠕變激活能所需要的溫度，其蠕變變形量偏小，由于不同溫度下試樣的初始變形不同，最終熱校形變形校正量反而減少。在580℃到600℃之間，試樣經(jīng)退火校正后變形量變化較為明顯，呈現(xiàn)快速增大的趨勢(shì)，此時(shí)最終熱校形校正量具有相應(yīng)的快速增大趨勢(shì)，這主要?dú)w結(jié)于退火溫度達(dá)到了Ti6Al4V鈦合金的蠕變激活能所需的溫度，在退火過(guò)程中試樣呈現(xiàn)較大的蠕變變形。在600℃到650℃的過(guò)程中，試樣經(jīng)退火校正后變形量增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，試樣最終熱校形校正量變化也呈現(xiàn)逐漸放緩的趨勢(shì)，這主要?dú)w結(jié)于當(dāng)試樣已經(jīng)產(chǎn)生較大的蠕變變形的時(shí)，試樣內(nèi)部的應(yīng)力已呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，最終使得變形量呈逐漸減小的趨勢(shì)?？傮w而言，隨著退火溫度的升高，試樣經(jīng)退火校正后變形量增加，增長(zhǎng)速率隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

另外，在Ti6Al4V薄壁件熱處理過(guò)程中，其不僅受到溫度的影響使其產(chǎn)生明顯熱膨脹[17, 18]，而且還受到校正夾具的約束作用。隨著退火溫度的升高，Ti6Al4V薄壁件在熱處理過(guò)程中，其熱膨脹作用更加明顯，校正夾具的約束作用增強(qiáng)，所受約束力增大，因而最終校正效果更好。

根據(jù)1.2節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方案研究升溫速率、保溫時(shí)間以及冷卻方式對(duì)熱校形效果的影響，最終結(jié)果如圖6所示。

圖6 Ti6Al4V薄壁件在不同工藝參數(shù)下熱校形效果對(duì)比圖

結(jié)果表明，當(dāng)升溫速率由20℃/min降低到2℃/min時(shí)，試樣經(jīng)退火校正后變形增加，即校正效果增加，這主要由于升溫速率的緩慢，使得其加熱時(shí)間增加，這里升溫速率降低為原先的十分之一，加熱時(shí)間也增加到原先升溫時(shí)間的10倍，在升溫期間，試樣就已經(jīng)發(fā)生一定的變形，從而使得最終的熱校形效果更好；當(dāng)保溫時(shí)間從1h改變到3h時(shí)，試樣經(jīng)退火校正后變形增加效果明顯，這主要由于保溫時(shí)間越長(zhǎng)，使得試樣有充裕的時(shí)間發(fā)生較大的蠕變變形，最終使得其校正效果在本實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)最優(yōu)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明，冷卻速率的改變對(duì)熱校形效果的影響較小，這主要?dú)w結(jié)于，當(dāng)試樣發(fā)生較大的蠕變變形后，在冷卻階段，試樣內(nèi)部的應(yīng)力已經(jīng)很小，盡管其冷卻速率的降低使得試樣在較高溫度下的時(shí)間增加，但是其內(nèi)部的應(yīng)力已經(jīng)不足以使得試樣再次發(fā)生較為明顯的蠕變變形，同時(shí)，當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，由于未達(dá)到材料蠕變激活能所需要的溫度，其即使保溫再長(zhǎng)的時(shí)間也不會(huì)發(fā)生很明顯的蠕變變化，因此最終表現(xiàn)為冷卻速率對(duì)結(jié)果的影響較弱。

3 結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)薄壁件熱校形夾具，通過(guò)單因素試驗(yàn)，分析退火溫度，升溫速率，保溫時(shí)間以及冷卻速率對(duì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件熱校形效果的影響規(guī)律，最終可以得到結(jié)論如下：

(1) 退火溫度，升溫速率以及保溫時(shí)間對(duì)Ti6Al4V鈦合金薄壁件的熱校形均有較大的影響，熱校形變形量隨著退火溫度的升高，升溫速率的降低以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，唯獨(dú)冷卻速率對(duì)熱校形變形量的影響較??；(2) 當(dāng)退火溫度從550℃增加到600℃時(shí)，熱校形的變形量的增加速率較大，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到650℃時(shí)，熱校形的變形量的增加逐漸緩慢，根據(jù)文章實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在650℃的退火溫度下，Ti6Al4V試樣的熱校形效果的還是呈現(xiàn)了較為明顯的優(yōu)勢(shì)；

(3) 利用試驗(yàn)所得出的結(jié)論對(duì)合理選擇薄壁件熱校形工藝參數(shù)給出了優(yōu)化建議：為得到較大的熱校形效果，熱處理過(guò)程中可以選取650℃作為退火溫度，適當(dāng)選取較低的升溫速率，并且應(yīng)合理增加退火保溫時(shí)間,使得其在熱校形效果和加工效率上都能得到充分保證。

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(編輯 李秀敏)

Experimental Study on Hot Sizing of Ti6Al4V Alloy Thin-walled Part

XU Jian-jun1a,WANG Wei1b, YANG Yin-fei1a, SHI Chun-ling2, TAO Jie1b

(1a. College of Mechanical and Electrical Engineering；b. College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. AVIC Xi’an Aircraft Industry(Group) Company Ltd., Xi’an 710089,China)

In order to find out the effects of different factors to the results of hot sizing, the modularized tooling was designed and the hot sizing experiments were carried out in this paper. The effects of annealing treating parameters, such as temperature, heating rate, holding time and the cooling rate, were investigated in the experiments. The relationship between the hot sizing results and the hot sizing parameters were obtained at last. The results have shown that as the temperature increases from 550℃ to 650℃ and the holding time increases from 1h to 3h, the effects of hot sizing will be increased significantly, as the heating rate decreases, the effects of hot sizing will be increased. The effect of cooling rate the hot sizing is weak. The availability of designing tooling has been validated by the experiments, which is expected to be applied to the treatment of thin-walled parts used in national aeronautics and astronautics.

titanium alloy; thin-wall part； annealing; hot sizing

1001-2265(2016)10-0001-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.001

2015-11-12；

2015-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51405226) ; 江蘇省自然科學(xué)基金(SBK2014043631)

徐建軍(1990—)，男，江蘇泰興人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)xujianjun9011@163.com。

TH140.7;TG156

A