CN101722268B - 用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，采用锻造开棒坯-热轧开条坯-热旋锻-冷旋锻制成丝材-固溶处理后磨光表面-表面涂抹化学涂层等工艺进行制备。制得出来的盘丝有较高的室温拉伸性能、剪切强度和剪切疲劳性能；盘条丝材经250℃暴露300小时、300℃暴露200小时后金相组织和机械性能稳定。同时具有满意的冷铆工艺塑性，能很好的进行冷手铆、冷压铆，铆接后均能形成理想的镦头。

Description

用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法

技术领域

本发明属于航空材料技术领域，涉及一种用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法。

背景技术

飞机的制造材料以铝及钛合金为主，冷加工的铝及钛合金有良好的机械性能，而铝、钛合金的焊接难度较大，而且焊接易变形，易退火，变软，降低机械性能，所以飞机上工件主要采用铆接。在铆接的过程中，需要使用到钛合金铆接盘丝材料。钛合金铆接盘丝材料生产起源于上世纪六十年代，七十年代研制成功并工业化生产。作为超音速飞机使用的钛合金铆钉，热稳定性是一个很重要的性能元素指标。一直以来钛合金铆接盘丝使用的是TC4材料，在较高温度下暴露，材料的热稳定性会降低，这是因为：1、在热暴露过程中有时效相析出；2、较高温度热暴露时，表面被空气中所含的氮、氢、氧等元素污染而产生一层很薄的硬而脆的硬化层。所以，在使用TC4材料制备成的钛合金铆接盘丝材料在热暴露下抗拉强度、剪切强度、断面收缩率和剪切疲劳寿命都大幅度降低，这将严重影响飞机的安全性能。近年来，也在积极寻找替代TC4材料的其它耐高温钛合金，但由于新的钛合金成份难于控制，且制造盘丝的工艺上存在缺陷，制造出来的盘丝成品率极低，无法生产适合自动冷铆接的盘条丝材。

发明内容

本发明的目的是提供一种用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，制备出来的盘丝材料热稳定性好，在高温下仍然具有较高的抗拉强度、剪切强度、断面收缩率和剪切疲劳寿命，适合冷铆接。

本发明所采用的技术方案是，一种用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，按以下步骤进行：

步骤1，选取β型钛合金坯料，按质量百分比，由以下组份组成：

Mo9.5％-11％，V7.5％-8.5％，Fe0.8％-1.2％，Al 2.7％-3.5％，其余为Ti，以上组份总量为100％；

步骤2，

将步骤1取得的β型钛合金坯料割成90×90×210mm的块料，用砂轮打磨棱角，然后进行锻造开坯，选择碳矽棒炉、油炉或电炉加热，在1050℃时保温2小时，期间用750Kg空冷锤进行锻造，将规格为90×90×10mm钛合金锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分钟，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，锻造成规格为Φ60×610mm的钛合金锻棒；

步骤3，

取步骤2得到的钛合金锻棒，经车床扒皮、平头后进行热轧；扒皮后尺寸由Φ61变为Φ55mm，热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为55-60分钟，温度为1050℃，采用可逆真空轧机，将材料依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将规格为Φ55mm钛合金变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，规格变为Φ17mm，表面通过砂轮修磨；最后采用250线材轧机，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，加工为Φ8mm，表面再通过砂轮修磨，得到热轧后的丝材；

步骤4

采用厢式电阻炉，将步骤3得到热轧后的丝材在温度730℃下保温15分钟，然后在810℃保温30分钟后，空冷处理，接着喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工；

步骤5

将步骤4冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷；

步骤6

将步骤5冷却后的丝材通过M1040无芯磨床进行磨削，采用硬度为软或中软、粒度为80目的绿色碳化硅质砂轮，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削控制在0.5mm以内，每道次磨削量为0.05-0.07mm，最后一道磨削量为0.01-0.02mm；

步骤7

对步骤6磨削后的丝材进行化学涂层处理：先将丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或其他塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至70-90℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡30-90分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。

采用本发明的用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，制得出来的盘丝有较高的室温拉伸性能、剪切强度和剪切疲劳性能；盘条丝材经250度暴露300小时、300度暴露200小时后金相组织和机械性能稳定。同时具有满意的冷铆工艺塑性，能很好的进行冷手铆、冷压铆，铆接后均能形成理想的镦头。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，采用锻造开棒坯-热轧开条坯-热旋锻-冷旋锻制成丝材-固溶处理后磨光表面-表面涂抹化学涂层等工艺，具体按以下步骤进行：

步骤1，选取β型钛合金坯料，成份为Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al，按质量百分比，由以下组份组成：

Mo9.5％-11％，V7.5％-8.5％，Fe0.8％-1.2％，Al 2.7％-3.5％，其余为Ti，以上组份总量为100％。

Mo范围在9.5％-11％内，可以大幅增加材料高温性能；

V范围在7.5％-8.5％内，可以大幅增加材料塑性；

Fe范围在0.8％-1.2％内，可以适当提高材料强度，增加一定的刚性；

Al范围在2.7％-3.5％内，就像钢中加碳一样，起强化相的作用。它可以稳定α相、提高相转变温度，对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。

步骤2，

将步骤1取得的型钛合金坯料割成90×90×210mm的块料，将不规则的棱角用砂轮打磨掉，然后进行锻造开坯，开坯过程选择的加热设备为碳矽棒炉、油炉或电炉，在1050℃时保温2小时，在此期间用750Kg空冷锤进行锻造，将规格为90×920×10mm锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，将规格为55×55×570mm锻造为Φ60×610mm的锻棒。

步骤3，

取步骤2得到的锻棒，经车床扒皮、平头后进行热轧，扒皮后坯料尺寸由Φ60变为Φ55mm；热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为55-60分钟，温度为1050℃，通过可逆真空轧机，依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将Φ55mm规格变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，从28×28mm变为Φ17mm，表面砂轮修磨，去除棒材出现纵向沟合摺叠；最后在250线材轧机上进行，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，从Φ17mm规格加工为Φ8mm，表面砂轮修磨，去除棒材出现纵向沟合摺叠。

步骤4

采用厢式电阻炉，在温度730℃下，保温15分钟，再将步骤3加工得到的规格大于Φ6.5mm的丝材用B203旋锻机锻造，规格小于Φ6.5mm的丝材用B202旋锻机。然后经810℃保温30分钟后，空冷处理，以及喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工，规格大于Φ4.0mm的丝材用B202旋锻机，规小于Φ4.0mm的丝材用B201旋锻机加工。

步骤5

将通过步骤4冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷。

步骤6

将步骤5冷却后的丝材进行磨削，所用设备为M1040无芯磨床，采用绿色碳化硅质砂轮，硬度为软或中软，粒度为80目，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削控制在0.5mm，每道次磨削量为0.05-0.07mm，为保证光洁度，最后一道磨削量为0.01-0.02mm。

步骤7

对丝材进行化学涂层处理：先将丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或其他塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至70-90℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡30-90分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。

经过测试，丝材经不同温度、不同时间热暴露后，抗拉强度、剪切强度均有所提高，而塑性经250度、300度分别热暴露300小时、200小时后没有明显变化，350度热暴露50小时后，断面收缩率明显降低，延伸率仍没有明显变化。从不同温度热暴露后的机械性能中可清楚看出：钛合金铆接盘丝经250度/300小时、300度/200小时热暴后性能稳定，也就是说热稳定性好，350度/50小时热稳定性稍有降低。

实施例1

选取β型钛合金坯料，割成90×90×210mm的块料，用砂轮打磨棱角，然后进行锻造开坯，选择碳矽棒炉加热，在1050℃时保温2小时，期间用750Kg空冷锤进行锻造，将规格为90×90×210mm钛合金锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分钟，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，锻造成规格为Φ60×610mm的钛合金锻棒；经车床扒皮、平头后进行热轧；扒皮后尺寸由Φ61变为Φ55mm，热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为55分钟，温度为1050℃，采用可逆真空轧机，将材料依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将规格为Φ55mm钛合金变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，规格变为Φ17mm，表面通过砂轮修磨；最后采用250线材轧机，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，加工为Φ8mm，表面再通过砂轮修磨，得到热轧后的丝材；采用厢式电阻炉，将丝材在温度730℃下保温15分钟，然后在810℃保温30分钟后，空冷处理，接着喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工；将冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷；将冷却后的丝材通过M1040无芯磨床进行磨削，采用硬度为软、粒度为80目的绿色碳化硅质砂轮，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削在0.5mm，每道次磨削量为0.05mm，最后一道磨削量为0.01mm；再对磨削后的丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或其他塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至70℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡30分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。

实施例2

选取β型钛合金坯料，割成90×90×210mm的块料，用砂轮打磨棱角，然后进行锻造开坯，选择油炉加热，在1050℃时保温2小时，期间用750Kg空冷锤进行锻造，将规格为90×90×210mm钛合金锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分钟，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，锻造成规格为Φ60×610mm的钛合金锻棒；经车床扒皮、平头后进行热轧；扒皮后尺寸由Φ61变为Φ55mm，热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为60分钟，温度为1050℃，采用可逆真空轧机，将材料依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将规格为Φ55mm钛合金变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，规格变为Φ17mm，表面通过砂轮修磨；最后采用250线材轧机，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，加工为Φ8mm，表面再通过砂轮修磨，得到热轧后的丝材；采用厢式电阻炉，将丝材在温度730℃下保温15分钟，然后在810℃保温30分钟后，空冷处理，接着喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工；将冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷；将冷却后的丝材通过M1040无芯磨床进行磨削，采用硬度为软、粒度为80目的绿色碳化硅质砂轮，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削在0.5mm，每道次磨削量为0.07mm，最后一道磨削量为0.01mm；再对磨削后的丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或其他塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至90℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡90分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。

实施例3

选取β型钛合金坯料，割成90×90×210mm的块料，用砂轮打磨棱角，然后进行锻造开坯，选择电炉加热，在1050℃时保温2小时，期间用750Kg空冷锤进行锻造，将规格为90×90×210mm钛合金锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分钟，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，锻造成规格为Φ60×610mm的钛合金锻棒；经车床扒皮、平头后进行热轧；扒皮后尺寸由Φ61变为Φ55mm，热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为58分钟，温度为1050℃，采用可逆真空轧机，将材料依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将规格为Φ55mm钛合金变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，规格变为Φ17mm，表面通过砂轮修磨；最后采用250线材轧机，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，加工为Φ8mm，表面再通过砂轮修磨，得到热轧后的丝材；采用厢式电阻炉，将丝材在温度730℃下保温15分钟，然后在810℃保温30分钟后，空冷处理，接着喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工；将冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷；将冷却后的丝材通过M1040无芯磨床进行磨削，采用硬度为中软、粒度为80目的绿色碳化硅质砂轮，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削在0.5mm，每道次磨削量为0.06mm，最后一道磨削量为0.02mm；再对磨削后的丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或其他塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至50℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡60分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。

本发明制得的钛合金丝材经过冷压铆后，经低倍检查、显微检查、萤光探伤检验均无裂纹；镦头侧面光滑，呈腰鼓形，端头平整，且镦头质量符合GB1017的要求。用光学显微镜和高压透射电镜观察钛合金丝，以及钛合金丝经过冷压铆后的铆钉热暴露前后的金相组织的变化，其结果是二者热暴露前后金相组织的变化相同，即说明本发明方法制得的钛合金丝材具有满意的冷铆工艺塑性，能很好的进行冷手铆、冷压铆，铆接后均能形成理想的镦头。通过上述试验证明，选用本发明方法制得的钛合金丝材来制造飞机用钛合金冷铆接材料，性能上完全满足飞机制造的要求，且钛合金丝材及铆钉具有良好的冷态工艺塑性，是较理相的高温铆接材料。

Claims (1)

1.一种β型钛合金制备飞机用铆接盘丝的方法，其特征在于，按以下步骤进行：

步骤1，选取β型钛合金坯料，按质量百分比，由以下组份组成：

Mo 9.5%-11%，V 7.5%-8.5%，Fe 0.8%-1.2%，Al 2.7%-3.5%，其余为Ti，以上组份总量为100%；

步骤2，

将步骤1取得的β型钛合金坯料割成90×90×210mm的块料，用砂轮打磨棱角，然后进行锻造开坯，选择碳矽棒炉、油炉或电炉加热，在1050℃时保温2小时，期间用750Kg空气冷锤进行锻造，将规格为90×90×210mm钛合金锻造为55×55×570mm，然后在1050℃保温30分钟，再经过拔长、倒棱、甩圆锻造，锻造成规格为Φ60×610mm的钛合金锻棒；

步骤3，

取步骤2得到的钛合金锻棒，经车床扒皮、平头后进行热轧；扒皮后尺寸由Φ60变为Φ55mm，热轧设备为厢式电阻炉，加热时间为55-60分钟，温度为1050℃，采用可逆真空轧机，将材料依次通过方形、菱形的孔型进行交错轧制11道次，将规格为Φ55mm钛合金变成28×28mm的方形；然后再依次通过菱形、方形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制10道次，规格变为Φ17mm，表面通过砂轮修磨；最后采用250线材轧机，依次通过方形、方形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形、椭圆形、圆形的孔型进行交错轧制8道次，加工为Φ8mm，表面再通过砂轮修磨，得到热轧后的丝材；

步骤4，

采用厢式电阻炉，将步骤3得到热轧后的丝材在温度730℃下保温15分钟，然后在810℃保温30分钟，空冷处理，接着喷砂、酸洗、打磨精整，然后进行冷旋锻加工；

步骤5，

将步骤4冷旋锻加工后的丝材在滚道炉内进行成品固溶处理：将丝材放入2500mm的槽钢内，分散均匀用手来回摆动，热炉装料，800℃保温30分钟以后出炉，放置于平垫板上，空冷；

步骤6，

将步骤5冷却后的丝材通过M1040无芯磨床进行磨削，采用硬度为软或中软、粒度为80目的绿色碳化硅质砂轮，并同时采用皂化水溶液冷却，丝材的总磨削控制在0.5mm以内，每道次磨削量为0.05-0.07mm，最后一道磨削量为0.01-0.02mm;

步骤7，

将步骤6磨削后的丝材进行化学涂层处理：先将丝材表面经稀硝酸去油，再分别取氟硼酸钾0.8Kg，氧化钡0.8Kg，硝酸铵0.4Kg与10升水在塑料布或塑料陶瓷容器内混合，配置成混合溶液，然后用水蒸气加热至70-90℃后，把待处理的丝材放入溶液内浸泡30-90分钟，待丝材表面呈现一层致密的灰黑色薄膜后取出，用清水冲洗，即制得。