CN101838785A - Tc18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，该方法的步骤是：1)将清理干净的高强度TC18钛合金焊接零件和随炉试样放入真空热处理炉内，真空室内真空工作压强应不大于6.7×10^-2Pa；2)焊接零件采用阶梯式升温方式随炉升温至810～850℃，保温1～2h；3)以0.3～5℃/min的冷却速度将TC18钛合金焊接零件和随炉试样冷却至300℃以下，出炉空冷；4)零件热处理后对随炉试样进行拉伸性能测试，用于考察焊接零件基体和焊接接头的拉伸性能。采用该工艺获得的零件基体强度能够达到设计指标要求的1030MPa以上，工艺简便、生产效率高，同时可以有效避免传统普通退火工艺引起的合金强度降低。

Description

TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，属金属材料科学技术领域。

背景技术

TC18钛合金是航空航天领域应用最广泛的高强钛合金之一，被用于制造多个型号主干线客机、大型运输机的机身和起落架大型主承力构件，其中仅在某型军用运输飞机上TC18钛合金零件重量就达3000多公斤。TC18钛合金具有良好的焊接性能，可以采用电子束焊、氩弧焊、电阻焊等多种方法进行焊接，其中电子束焊焊接接头强度可达到基体的90％以上，氩弧焊焊接接头强度可达到基体的85％以上。目前国内外标准及文献中给出的TC18钛合金热处理工艺主要有固溶时效、复杂双重退火和普通退火等3种工艺。

(1)固溶时效

TC18钛合金固溶时效热处理制度为：720～780℃，保温2h，水冷+480～600℃，保温6～10h，空冷。固溶时效热处理要求固溶后在流动的水中快速冷却，然后通过时效获得很高的强度水平(σ_b≥1280MPa)。固溶时效主要用于小规格棒材热处理，不适合用于焊接零件的焊后热处理，容易引起零件严重变形。

(2)复杂双重退火

复杂双重退火是TC18钛合金最经常采用的热处理工艺，具体制度为：820～850℃，保温2h，炉冷至740～760℃，保温2h，空冷或气冷+500～650℃，保温2～6h，空冷。复杂双重退火后TC18钛合金抗拉强度一般在1080MPa以上，同时具有较高的塑性和断裂韧度。该工艺的缺点是过于复杂，需经过两次真空热处理，其中740～760℃保温后要求快速气冷，必须具备大型真空气淬热处理炉才能达到要求的冷却速度。

(3)普通退火

普通退火工艺简便易行，并且能够有效消除焊接接头区域的残余应力，是钛合金焊接零件经常采用的焊后热处理工艺。TC18钛合金普通退火制度为：700～780℃，保温1～2h，以3～5℃/min的速度冷却至200℃以下，空冷。普通退火工艺的主要缺点是基体抗拉强度低，经测普通退火后TC18钛合金焊接零件基体的室温抗拉强度在955～1050MPa之间。另外普通退火工艺对冷却速度的要求过于严格(3～5℃/min)，目前工厂中的真空热处理炉的冷却速度一般在0.5～3℃/min。

为获得更好的减重效益，飞机设计人员提出TC18钛合金焊接零件抗拉强度许用值为σ_b≥1030MPa，不难看出已有的热处理工艺用于焊接零件焊后热处理时都有不足之处。

发明内容

本发明正是在现在技术的基础之上并针对其不足，提出了一种TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺。采用该工艺获得的零件性能能够达到设计指标要求，工艺简便、生产效率高，同时可以有效避免传统普通退火工艺引起的合金强度降低。

TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，其特征在于：该方法的步骤是：

1)将清理干净的高强度TC18钛合金焊接零件和随炉试样，包括基体和焊接接头，放入真空热处理炉内，真空室内真空工作压强应不大于6.7×10^-2Pa；

2)焊接零件采用阶梯式升温方式随炉升温至810～850℃，保温1～2h；

3)以0.3～5℃/min的冷却速度将TC18钛合金焊接零件和随炉试样冷却至300℃以下，出炉空冷；

4)真空热处理后对随炉试样进行拉伸性能测试，基体强度可稳定地达到1030MPa以上。

为了实现这一要求，在不同炉批次和不同原始组织的试验件上开展热处理试验，试验温度范围为650℃～850℃。试验结果见表1和图2～4。一般来说，随退火温度升高，晶体结构回复和再结晶程度不断提高，金属材料抗拉强度呈下降趋势。但由图2～4可见，随退火温度升高，TC18钛合金抗拉强度呈现先降后升的趋势，合金强度在700℃～750℃左右达到最小值。随退火温度进一步升高，合金强度又逐渐增加，当退火温度达到810℃～850℃温度区间时，合金强度可稳定地达到1030MPa以上，能够满足图纸要求。合金强度随退火温度的变化是由显微组织的变化引起的，图5给出了

棒材在典型退火温度下的显微组织照片。由图可见，在传统的普通退火温度区间700～750℃温度范围内，初生α相(α_p)在45％左右，此时对应合金强度水平最低；而在800℃退火时α_p比例在35％左右。次生α相(α_s)形态随退火温度升高也有明显变化，700℃退火时只析出很少量的短棒状α_s相，很难起到强化作用；750℃退火得到完全平衡组织，看不到α_s相，此时强度最低；而在840℃退火时，由于β相含量增加但稳定性下降，炉冷时有大量针状α_s相析出。本发明提出的退火温度正是利用高温下退火炉冷过程中β相分解所产生的弥散分布的α_s相起到强化作用。

表1TC18钛合金不同退火温度下拉伸性能

传统的普通退火工艺对冷却速度的要求很严格(3～5℃/min)，而零件生产厂中的真空热处理炉的冷却速度一般在0.5～3℃/min，本发明针对退火后冷却速度开展了研究，试验结果见表2。由表可见，在0.3～5℃/min的冷速范围内合金强度变化不大，因此零件生产厂中现有的真空热处理炉完全可以用于TC18钛合金零件的焊后真空热处理。

表2不同冷却速度下TC18钛合金拉伸性能

注：表中数据均为3个试样平均值。

附图说明

图1为本发明技术方案的热处理流程图

图2TC18钛合金

棒材抗拉强度与退火温度的关系

图3和图4为TC18钛合金模锻件抗拉强度与退火温度的关系

图5TC18钛合金

棒材不同退火温度下的显微组织照片

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1：某型飞机焊接圆筒零件热处理

将清理干净的TC 18钛合金焊接圆筒零件和随炉试样放入真空热处理炉内，真空室内真空工作压强小于6.7×10-2Pa；焊接零件采用阶梯式升温方式随炉升温至840℃，保温1h；以1～2℃/min的冷却速度将TC18钛合金焊接圆筒零件和随炉试样冷却至200℃，出炉空冷；零件热处理后对随炉试样进行拉伸性能和冲击性能测试。为便于和传统工艺对比，将同炉批次另外一件焊接圆筒零件采用750℃进行热处理，表3给出了本发明工艺和传统工艺性能对比结果。由表可见，采用本发明热处理工艺，随炉试样强度在1060MPa以上，比传统工艺高100MPa左右，满足图纸要求。

表3TC18钛合金焊接圆筒试验件机械性能试验结果

实施例2：某型飞机长杆类焊接零件热处理

将清理干净的TC 18钛合金焊接长杆类零件和随炉试样放入真空热处理炉内，真空室内真空工作压强小于6.7×10^-2Pa；焊接零件采用阶梯式升温方式随炉升温至830℃，保温1h；以0.5～1℃/min的冷却速度冷却至280℃，出炉空冷。零件热处理后对随炉试样进行拉伸性能测试，试验结果见表4。表4中还同时给出了采用传统普通退火工艺热处理后的长杆零件拉伸性能。由表可见，采用本发明热处理工艺，随炉试样强度在1080MPa以上，比传统工艺高60MPa左右，完全符合图纸要求。采用该方法进行零件的焊后热处理十分方便。

表3TC 18钛合金焊接长杆类试验件机械性能试验结果

与现有技术相比，本发明技术方案获得的零件性能能够达到设计指标要求，工艺简便、生产效率高，同时可以有效避免传统普通退火工艺引起的合金强度降低。

Claims (2)

1.TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，其特征在于：该方法的步骤是：

1)将清理干净的高强度TC18钛合金焊接零件和随炉试样放入真空热处理炉内，真空室内真空工作压强应不大于6.7×10^-2Pa；

2)真空热处理炉采用阶梯式升温方式随炉升温至810～850℃，保温1～2h；

3)以0.3～5℃/min的冷却速度将TC18钛合金焊接零件和随炉试样冷却至300℃以下，出炉空冷；

4)真空热处理后对随炉试样进行拉伸性能测试，基体强度可稳定地达到1030MPa以上。

2.根据权利要求1所述的TC18钛合金焊接零件的焊后真空热处理工艺，其特征在于：真空热处理炉阶梯式升温方式为：随炉升温至300℃，保温0.5h，再升温至600℃，保温0.5h，最后升温至810～850℃，保温1～2h。

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