CN113832423A - 一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法 - Google Patents

一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法，包括:获取待局部热处理区域的几何模型，依据几何模型加工传导块；将传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定；将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器，调节红外测温点至设定位置，设置感应加热参数；关闭保护腔体，当达到设定保护氛围后，进行感应加热；加热完毕后打开保护腔体，拆除零件及传导块。该薄壁钛合金结构的局部热处理方法的目的是解决常用的中频或超音频感应电源热处理设备难以对薄壁或变厚度截面薄壁钛合金结构进行均匀热处理的问题。

Description

一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法
技术领域
本发明涉及焊接修复技术领域，具体涉及一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法。
背景技术
钛合金零件广泛应用于飞机、发动机零部件，复杂整体结构也越来越多。这些结构在使用过程中都不可避免的受到损伤，对这些部位一般需要将损伤部位去除后进行焊接修复，使其恢复之前的组织性能，消除应力。因此需要进行热处理，但有些零部件因为表面整个进行了涂层或表面强化处理，如果对整体放入炉中进行热处理，则后续还需要全部重新处理，增加了成本。由于零件经过使用，若整体热处理，可能导致产生变形等问题。因此需要进行局部热处理，恢复零件，降低成本。典型的结构包括整体叶盘叶片修复和飞机大型薄壁零件局部修复后的热处理。
局部热处理方法目前有激光/电子束局部扫描加热、热气加热、感应加热、红外加热等方法。采用激光/电子束局部扫描加热、热气加热、红外加热方法的极限加热速度较慢。采用感应加热方法可以使零件得到快速加热，但由于航空零件一般为曲面结构，结构复杂，且对精度要求较高，如整体叶盘叶片，感应加热器的设计过程较复杂，不能直观实现，尺寸或厚度稍有偏差也会引起磁场改变，引起处理区加热达不到所需的均匀性。另外感应加热时的频率需要与被加热零件的厚度相匹配，但各部位零件的厚度不一，钛合金又是导磁性差的材料，相对磁导率≈1，如当需加热截面最厚处不超过2mm，计算适用的感应频率高达200kHz，若采用一般的50kHz的电源则无法加热。而如果加热处厚度为10mm，采用200kHz的高频电源，又易使电流集中在零件表面，使零件表面过热。
一般钛合金需要放入真空或惰性气体保护的腔体中进行热处理，中频或超高频的感应电源较为常见，不能兼顾薄壁钛合金结构和其他厚度或材料的使用需求。且对于同一零件上既有厚又有薄的变截面零件，获得均匀加热难度更大。
因此，发明人提供了一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法，解决了常用的中频或超高频感应电源热处理设备难以对薄壁或变厚度截面薄壁钛合金结构进行均匀热处理的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提供了一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法，包括以下步骤：
获取待局部热处理区域的几何模型，依据所述几何模型加工传导块；
将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定；
将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器，调节红外测温点至设定位置，设置感应加热参数；
关闭保护腔体，当达到设定保护氛围后，进行感应加热；
加热完毕后打开所述保护腔体，拆除所述零件及所述传导块。
进一步地，所述传导块的电阻率ρ≤5*10-5Ω·m，且磁导率μr≥100。
进一步地，所述将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当所述传导块为整体式结构时，其贴合于所述待局部热处理的薄壁钛合金结构的表面。
进一步地，采用平面感应加热器进行局部加热。
进一步地，所述将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当所述传导块为分体式结构时，其通过螺钉装配后夹紧所述待局部热处理的薄壁钛合金结构。
进一步地，按照材料特性和感应电源的频率计算电流透入深度，所述传导块单侧的厚度与所述电流透入深度相等。
进一步地，感应加热过程中依据薄壁钛合金结构设定分阶段加热功率，以控制加热速度。
进一步地，将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器的过程中，感应线圈形状与传导块外形相匹配，零件与感应线圈的相对位置正确。
进一步地，所述传导块靠近加热器一侧的外形为规则形状。
(3)有益效果
综上，本发明通过传导块与待加工零件接触实现对其的热传导加热，通过对传导块的形状的特殊设计，避免设计过于复杂的感应加热器，且使用常用的中频或超音频感应电源即可实现。采用感应加热方法加热速度可快可慢，速度可调，可达到比其它方法更快的加热速度，加热区域与工装大小相对应，加热范围精度更高，扩大了设备的使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种整体叶盘叶片补片修复焊缝局部热处理的安装示意图；
图3是本发明实施例1提供的另一整体叶盘叶片补片修复焊缝局部热处理的安装示意图；
图4是本发明实施例2提供的一种大型薄壁零件局部热处理的安装示意图。
图中：
1-叶盘；2-叶片；3-第一传导块；4-焊缝；5-螺钉；6-大型薄壁零件；7-第二传导块；8-感应加热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
S100、获取待局部热处理区域的几何模型，依据几何模型加工传导块；
S200、将传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定；
S300、将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器，调节红外测温点至设定位置，设置感应加热参数；
S400、关闭保护腔体，当达到设定保护氛围后，进行感应加热；
S500、加热完毕后打开保护腔体，拆除零件及传导块。
在上述实施方式中，本申请中提到的薄壁钛合金是指厚度小于2mm的钛合金，通过传导块与待加工零件接触实现对其的热传导加热，通过对传导块的形状的特殊设计，避免设计过于复杂的感应加热器，且使用常用的中频或超音频感应电源即可实现。采用感应加热方法加热速度可快可慢，速度可调，可达到比其它方法更快的加热速度，加热区域与工装大小相对应，加热范围精度更高。
步骤S300中，将组合后的零件装入局部热处理设备，保证感应线圈形状与传导块外形相匹配，以及零件与感应线圈的相对位置正确。
步骤S400中，关闭真空或惰性气体保护的腔体，抽真空或充入氩气，达到设定保护氛围后，执行感应加热程序。工装被感应加热至设定的温度，并通过热传导将薄壁钛合金结构的局部进行加热。
作为一种优选的实施方式，步骤S100中，传导块的电阻率ρ≤5*10-5Ω·m，且磁导率μr≥100。其中，传导块为相对磁导率远大于1的导磁性材料，传导块选用导磁性好的材料，由于钛合金材料导磁性较差，相对碳钢等磁性材料更不易被感应加热，因此采用碳钢、石墨等材料按零件待加热区的形状加工传导块。
作为一种优选的实施方式，步骤S200中，将传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当传导块为整体式结构时，其贴合于待局部热处理的薄壁钛合金结构的表面。
其中，传导块这样的结构是为了适用于钛合金壁板结构。
作为一种优选的实施方式，步骤S200中，将传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当传导块为分体式结构时，其通过螺钉装配后夹紧待局部热处理的薄壁钛合金结构。
其中，传导块这样的结构是为了适用于钛合金叶片结构。
在上述实施方式中，传导块可加工成一个整体，套入零件的方式，也可将传导块分为两部分，采用螺钉装配后夹紧。传导块的内型面与零件表面贴合或保留微小间隙，外侧装配后为规则的矩形或其它与线圈匹配的规则形状。装配的螺钉选用无磁性且线膨胀系数不高的材料，如叶片同材质的钛合金、高温合金等，且采用沉头形式，避免凸起部分离加热器过近被加热，螺钉直径应不等于根据材料特性和电源频率计算出的电流透入深度，如可以采用与叶片最厚部分相当的尺寸，避免被加热熔断。透入深度的计算可按常用公式计算：
Figure BDA0003296633970000071
其中ρ为材料电阻率；μr为材料相对磁导率；f为频率。
作为一种优选的实施方式，步骤S300中，采用平面感应加热器进行局部加热。具体地，针对不易夹持的大型零件可采用单侧贴形，和平面感应加热器方法进行局部加热。
作为一种优选的实施方式，按照材料特性和感应电源的频率计算电流透入深度，传导块单侧的厚度与电流透入深度相等。这样可以使传导块在整个厚度上同时被加热，提高加热效率。具体地，钛合金材料热处理时，升温速度不要求快。零件与传导块贴合情况下，零件通过热传导被加热，由于所针对的薄壁钛合金结构厚度较薄，而电源频率较低，加上零件距离线圈距离较远，因此通过零件的感应电流可以忽略不计。若零件与工装间有微小间隙，则在间隙中的空气被加热，通过空气加热叶片包覆，薄壁钛合金结构本身也很容易被传导至所需温度。
作为一种优选的实施方式，感应加热过程中依据依据薄壁钛合金结构设定分阶段加热功率，以控制加热速度。其中，使导热块升温速度和传导速度相匹配，钛合金材料被加热速度满足工艺要求，防止过快或过慢加热，或零件表面与内部温差过大。具体地，传导块的温度通过红外测温仪进行反馈控制，保持设定的温度，当到达中间温度后，保持程序设定的一段时间后，再进行下一阶段加热，直至加热程序结束。
作为一种优选的实施方式，将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器的过程中，感应线圈形状与传导块外形相匹配，零件与感应线圈的相对位置正确。
作为一种优选的实施方式，传导块靠近加热器一侧的外形为规则形状。具体可以是方形或圆形。
实例1
整体叶盘叶片补片修复焊缝局部热处理
如图2-3所示，叶片材料为TC4钛合金，对经焊接修复后的焊缝4位置进行局部热处理，叶片2的待加热截面最大厚度1mm，最薄0.6mm，呈中间厚两端薄的特点。感应加热器8的感应电源频率为25kHz，用普通碳钢材料加工第一传导块3，第一传导块3为两部分，将叶片2的待加热处理的部分放置于两者之间并通过螺钉5进行夹紧。钢在800℃时电流透入深度为3.2mm，因此夹叶片的工装中间厚度选择3mm，进行局部热处理。
实例2
大型薄壁钛合金壁板结构的局部热处理
如图3所示，大型薄壁零件6的壁板结构为TC4钛合金，厚度2mm，对修复后的局部位置进行热处理。加工第二贴形块7(单面贴形传导块)，放在零件待加热位置，制作平面感应加热器，进行加热。感应电源频率为25kHz。
本发明的方法同样适用于除钛合金外的其余材料薄壁结构的局部热处理。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
获取待局部热处理区域的几何模型，依据所述几何模型加工传导块；
将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定；
将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器，调节红外测温点至设定位置，设置感应加热参数；
关闭保护腔体，当达到设定保护氛围后，进行感应加热；
加热完毕后打开所述保护腔体，拆除所述零件及所述传导块。
2.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，所述传导块的电阻率ρ≤5*10-5Ω·m，且磁导率μr≥100。
3.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，所述将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当所述传导块为整体式结构时，其贴合于所述待局部热处理的薄壁钛合金结构的表面。
4.根据权利要求3所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，采用平面感应加热器进行局部加热。
5.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，所述将所述传导块与待局部热处理的薄壁钛合金结构进行固定，具体为：
当所述传导块为分体式结构时，其通过螺钉装配后夹紧所述待局部热处理的薄壁钛合金结构。
6.根据权利要求5所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，按照材料特性和感应电源的频率计算电流透入深度，所述传导块单侧的厚度与所述电流透入深度相等。
7.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，感应加热过程中依据薄壁钛合金结构设定分阶段加热功率，以控制加热速度。
8.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，将组合后的零件装入局部热处理设备中对应的感应加热器的过程中，感应线圈形状与传导块外形相匹配，零件与感应线圈的相对位置正确。
9.根据权利要求1所述的薄壁钛合金结构的局部热处理方法，其特征在于，所述传导块靠近所述感应加热器一侧的外形为规则形状。
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