CN116121505A - 一种tc4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钛合金杆热处理技术领域，具体涉及一种TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法。该TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，先将杆件的杆部放入校直工装内进行杆部定型，再将杆件同校直工装一起放入真空退火炉中；之后，将真空退火炉抽真空，加热升温至520～590℃，升温速率≤25℃/min，保温时间240～480min，保温过程中持续抽真空；保温结束时停止抽真空，同时向真空退火炉内充入惰性气体进行冷却，保证真空退火炉内压力在1.5×105～1.9×105Pa；当炉温降至≤100℃时，将杆件同校直工装一起出炉空冷至室温。本发明的校直方法在产品的各项力学性能均满足要求的情况下，使得产品的直线度较好。

Description

一种TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法
技术领域
本发明涉及钛合金杆热处理技术领域，具体涉及一种TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法。
背景技术
TC4是一种中等强度的α-β型两相钛合金，含有6％左右的α稳定元素Al和4％左右的β稳定元素V，具有优异的综合性能，在航空和航天工业中获得了广泛应用。TC4钛合金主要在退火状态下使用，也可采用固溶时效处理进行一定的强化以获得所需性能。
TC4钛合金固溶温度910～940℃(0.5～2h，水淬)，高于其再结晶温度750℃，即TC4钛合金固溶过程处于可热变形阶段，刚性降至最低，很小的外力及内应力即可造成杆件的较大变形。螺栓类紧固件因其头杆直径尺寸差异，头尾两点支撑时，杆部基本悬空，形成简支梁结构，自身重力充当弯曲应力，造成产品杆部弯曲变形；而且当杆部较长时，弯曲变形尤为明显。
采用传统的卧式真空水淬炉(以下简称“真空炉”)进行TC4钛合金固溶处理时，虽然可通过吊装处理减小杆部的弯曲变形程度，但淬火延迟时间(保温结束后转移至淬火过程)较长，一般为15～20s(高于GJB3763规定最大值10s)，较长的淬火延迟时间影响杆件的固溶效果，造成剪切、抗拉强度等力学性能指标偏低。
采用震底式连续水淬炉(以下简称“连续炉”)进行TC4钛合金的固溶处理时，其淬火转移时间≤1s，可确保产品剪切、抗拉强度等力学性能合格。但因连续炉主要通过震动传送产品，无法对杆部进行吊装处理，导致TC4钛合金杆件固溶后，杆部易发生弯曲变形，直线度较差。
为保证TC4钛合金杆件的力学性能符合要求，现采用连续炉对TC4钛合金杆件进行固溶处理。针对杆件固溶后的杆部弯曲问题，通过机械校直方式解决。传统的机械校直一般为钳工锤击或光轮碾压，二者均不易操作且需反复多次操作，劳动强度高，生产效率低，校直效果差；而且杆件表面会存在锤击凹坑或碾压条纹。此外，杆部弯曲过度、强度过高的产品，难以通过锤击或碾压校直。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，以解决现有技术中利用机械校直方法处理杆件的杆部弯曲问题时校直效果差的技术问题。
为实现上述目的，本发明TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法的技术方案是：TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，先将杆件的杆部放入校直工装内进行杆部定型，再将杆件同校直工装一起放入真空退火炉中；之后，将真空退火炉抽真空，加热升温至520～590℃，升温速率≤25℃/min，保温时间240～480min，保温过程中持续抽真空；保温结束时停止抽真空，同时向真空退火炉内充入惰性气体进行冷却，保证真空退火炉内压力在1.5×105～1.9×105Pa；当炉温降至≤100℃时，将杆件同校直工装一起出炉空冷至室温。
有益效果是：本发明的校直方法通过调整热处理时效温度和装炉方式，利用定型后的工件在高温真空热处理时，杆部刚性降低，回弹应力消除的现象，使最终校直后的杆部直线度与定型时的杆部直线度一致，且不再回弹；同时产品的各项力学性能均满足要求。该校直方法简单易操作，劳动强度低，校直效果好；而且杆件表面不会留下凹坑和条纹。对于杆部弯曲过度、强度过高的产品同样适用。
作为进一步地改进，在杆件的杆部直径＜10mm时，加热升温至550-590℃；在杆件的杆部直径≥10mm时，加热升温至520-550℃。
作为进一步地改进，真空退火炉的有效工作区内单层平铺有至少两个校直工装，相邻两个校直工装之间的间隔距离≥10mm。
有益效果是：这样设计，使得同一层的各校直工装能够充分被加热，避免相互影响。
作为进一步地改进，校直工装设置有至少两层，各层校直工装分别摆放在不同料筐内，相邻两层校直工装的间隔距离≥50mm。
有益效果是：这样设计，使得各层的校直工装能够充分被加热，避免相互影响。
作为进一步地改进，将真空退火炉抽真空至真空度≤6.7×10-2Pa。
作为进一步地改进，真空退火炉内充入的惰性气体为氩气。
作为进一步地改进，校直工装包括两个压块和将两个压块固定在一起的紧固件，两个压块的相对侧分别设有半凹通槽，两个压块的半凹通槽形成对杆件杆部校直的校直通孔。
有益效果是：这样设计，使得校直工装的结构较为简单，便于操作。
作为进一步地改进，两个压块上分别设有至少两个半凹通槽，两个压块上的半凹通槽一一对应布置以形成至少两个校直通孔。
有益效果是：这样设计，使得每个校直工装上可以安装至少两个杆件，提高工作效率。
作为进一步地改进，两个压块上均设有螺栓穿孔，紧固件包括穿装在螺栓穿孔内的螺栓和旋拧在螺栓上的紧固螺母。
有益效果是：通过螺栓和紧固螺母配合固定两个压块，不仅便于两个压块的拆装，而且成本较低。
作为进一步地改进，所述半凹通槽的横截面为半圆形。
有益效果是：这样设计，使得校直通孔为圆形孔，以通过校直工装对圆柱形的杆件进行校直。
附图说明
图1为本发明TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法所使用的校直工装的结构示意图；
图2为图1的爆炸图。
图中：11、上压块；12、下压块；13、螺栓；14、紧固螺母；15、杆件；16、螺栓穿孔；17、半凹通槽；18、校直通孔。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法的实施例1：
在介绍真空热处理校直方法之前，先介绍本发明中所使用的校直工装。如图1和图2所示，校直工装包括上压块11和下压块12，两个压块的相对侧分别设有半凹通槽17，在上压块11和下压块12通过紧固件固定在一起后，两个压块的半凹通槽17形成对杆件15杆部校直的校直通孔18。在其他实施例中，在保证产品性能合格的情况下，校直工装可以包括三个及以上的压块，所有的压块叠放在一起；其中，所有压块的两面均设有半凹通槽，或者除最上端和最下端的压块外，其余压块的两面均设有半凹通槽。
本实施例中，上压块11和下压块12上分别设有三个半凹通槽17，两个压块上的半凹通槽17一一对应布置以形成三个校直通孔18。这样设计，使得每个校直工装上可以安装三个杆件15，以提高工作效率。在其他实施例中，可以根据需要在校直工装上设置一个、两个或四个以上的校直通孔。
如图2所示，上压块11和下压块12上均设有螺栓穿孔16，紧固件包括螺栓13和旋拧在螺栓13上的紧固螺母14。在螺栓13穿过两个压块上的螺栓穿孔16后，通过旋拧紧固螺母14，以将上压块11和下压块12固定在一起。在其他实施例中，紧固件可以C型夹钳；或者在上压块和下压块中的其中一个上设置螺栓穿孔、另一个上设置螺纹孔，穿过螺栓穿孔的螺栓旋拧在螺纹孔内，以将上压块和下压块固定在一起。
本实施例中，半凹通槽17的横截面为半圆形，即校直通孔18为圆形孔，以通过校直工装对圆柱形的杆件15进行校直。在其他实施例中，半凹通槽的横截面可以为矩形或V形，以对矩形杆或菱形杆进行校直。
本发明TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法具体如下：
本实施例中，杆件15为超长杆螺栓，具体为M10×88的TC4钛合金圆柱头螺栓，且在连续炉固溶后弯曲变形。其中，应采用清水冲洗杆件15表面杂质并将其烘干。
在杆件15装入校直工装前，校直工装、料筐、网袋等工具均需进行喷砂、清洗烘干等处理，确保其表面干净整洁。而且，炉膛和料车应擦拭干净，保证无油污。
选用合适的校直工装，将杆件15的杆部放入校直工装内进行杆部初步定型；之后将料框放置在料车上，烘干后的网袋铺满料框，杆件15同校直工装一起放入料筐内，料车将料框送入真空退火炉中。采用真空泵组对真空退火炉抽真空至真空度≤6.7×10-2Pa，将真空退火炉加热升温至520～590℃，升温速率应≤25℃/min，保温时间240～480min，保温过程中持续抽真空，保持真空度≤6.7×10-2Pa。保温结束时关闭真空阀以停止抽真空，同时向真空退火炉中充入高纯氩气进行冷却，保证真空退火炉内压力在1.5×105～1.9×105Pa；当炉温降至≤100℃时，停止回充氩气，将杆件同校直工装一起出炉空冷至室温。最后，拆分校直工装，取出杆件15，完成杆件15的杆部校直。
杆件15真空热处理校直前，由校直工装完成杆件15杆部的初步定型。定型后的杆件15在高温真空热处理时，杆部刚性降低，回弹应力消除，校直后杆部直线度与定型时直线度一致，且不再回弹。
真空热处理校直时，杆件15的杆部在校直工装内，即杆部被校直工装完全包裹。为保证杆件15时效定型彻底且满足力学性能要求，调整时效加热温度，高于常规时效温度约20℃以上(在杆件的杆部直径＜10mm时，加热升温至550-590℃；在杆件的杆部直径≥10mm时，加热升温至520-550℃)，并延长保温时间(将保温时间控制在中上限)。
真空热处理校直时，装有杆件15的校直工装单层平铺摆放在料框内，相邻两个校直工装之间的相隔距离≥10mm；而且当采用两个料筐时，相邻两层校直工装之间的间隔距离≥50mm。在其他实施例中，校直工装的层数可以根据需要设置。
杆件15放置在校直通孔18内时，其杆部弯曲方向与压块的端面垂直，由螺栓13和紧固螺母14配合固定两个压块，以完成杆部的初步定型。
本实施例中，校直工装应采用耐高温、耐腐蚀、难变形且高强度的高温合金材料加工，工装强度应不小于1100MPa。优选地，校直工装的制作材料为GH4169，可重复多次使用。
该方法通过调整热处理时效温度和装炉方式，利用定型后的工件在高温真空热处理时，杆部刚性降低，回弹应力消除的现象，使最终校直后杆部直线度与定型时直线度一致，且不再回弹，同时产品的各项力学性能均满足要求。此外，本发明实用性强，可推广至其它需要真空热处理校直(平)处理的易变形钛合金杆件。
卧式真空炉对TC4钛合金杆件进行固溶处理后的数据如表1所示。虽然产品的直线度较好，但其抗拉强度、剪切强度等力学性能指标偏低。
表1TC4钛合金杆件真空炉固溶时效后数据
Figure BDA0004009107360000061
震底式连续炉对TC4钛合金杆件进行固溶处理后的数据如表2所示。虽然产品的抗拉强度、剪切强度等力学性能指标满足需求，但其直线度较差。
表2TC4钛合金杆件真空炉固溶时效后数据
Figure BDA0004009107360000062
本发明对连续炉固溶处理后的弯曲变形杆件进行真空热处理校直后的数据如表3所示。不仅产品的直线度较好，而且其抗拉强度、剪切强度等力学性能指标也满足需求。
表3TC4钛合金杆件真空热处理校直后数据
Figure BDA0004009107360000063
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，先将杆件的杆部放入校直工装内进行杆部定型，再将杆件同校直工装一起放入真空退火炉中；之后，将真空退火炉抽真空，加热升温至520～590℃，升温速率≤25℃/min，保温时间240～480min，保温过程中持续抽真空；保温结束时停止抽真空，同时向真空退火炉内充入惰性气体进行冷却，保证真空退火炉内压力在1.5×105～1.9×105Pa；当炉温降至≤100℃时，将杆件同校直工装一起出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，在杆件的杆部直径＜10mm时，加热升温至550-590℃；在杆件的杆部直径≥10mm时，加热升温至520-550℃。
3.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，真空退火炉的有效工作区内单层平铺有至少两个校直工装，相邻两个校直工装之间的间隔距离≥10mm。
4.根据权利要求3所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，校直工装设置有至少两层，各层校直工装分别摆放在不同料筐内，相邻两层校直工装的间隔距离≥50mm。
5.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，将真空退火炉抽真空至真空度≤6.7×10-2Pa。
6.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，真空退火炉内充入的惰性气体为氩气。
7.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，校直工装包括两个压块和将两个压块固定在一起的紧固件，两个压块的相对侧分别设有半凹通槽，两个压块的半凹通槽形成对杆件杆部校直的校直通孔。
8.根据权利要求7所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，两个压块上分别设有至少两个半凹通槽，两个压块上的半凹通槽一一对应布置以形成至少两个校直通孔。
9.根据权利要求7所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，两个压块上均设有螺栓穿孔，紧固件包括穿装在螺栓穿孔内的螺栓和旋拧在紧固螺栓上的紧固螺母。
10.根据权利要求7所述的TC4钛合金弯曲变形杆件真空热处理校直方法，其特征在于，所述半凹通槽的横截面为半圆形。
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