Ti 6Al4V鈦合金薄壁件熱校形試驗研究*

徐建軍， 王 偉， 楊吟飛， 史春玲， 陶 杰

(1.南京航空航天大學 a.機電學院；b.材料科學與技術學院，南京 210016；2.中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，西安 710089)

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Ti 6Al4V鈦合金薄壁件熱校形試驗研究*

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 a.機電學院；b.材料科學與技術學院，南京 210016；2.中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，西安 710089)

為了探討熱校形過程中各種因素對熱校形效果的影響，文章設計了薄壁件熱校形工裝，通過單因素熱校形試驗，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間的長短對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變化規律。結果表明，當退火溫度從550℃逐步升高到650℃時，熱校形效果提高了35.2%，保溫時間由1h延長到3h時，熱校形效果提高了29.6%，升溫速率的降低會提高熱校形效果，冷卻速率的改變對熱校形效果的影響不大。文章熱校形試驗結果規律的把握以及最終的理熱處理工藝參數的確定，為航空航天整體薄壁件實際熱校形試驗提供了重大參考借鑒和指導作用。

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度高、耐腐蝕、高低溫性能優良等特點，在航空、航天、醫療等行業應用越來越廣泛[1-3]。由于常溫下鈦合金的屈服強度與彈模量比值很大，鈦合金薄壁件在機械加工后由于殘余應力的存在，使得回彈現象嚴重，文獻[4-6]在測量鈦合金零件加工引起的殘余應力以及預測由其產生的零件的變形方面都做出了較為系統的研究，不過其并未提出一個有效的解決變形問題的方案，最終使得常溫下成形的薄壁件很難達到精度要求，因此常常需要增加校正工藝來減少機械加工后產生的尺寸超差或形狀畸變。對于變形量較小的薄壁件也可在校正過程后直接校形。目前，常用的校形方法有人工校形，時效校形，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于操作人員的工作經驗，并沒有形成詳細統一的校形工藝，操作人員操作水平的高低對校形效果的影響較大。南京航空航天大學周兆鋒等人開發了高頻感應加熱熱應力校形工藝，利用高頻感應加熱來代替火焰加熱或籍貫加熱對板料進行熱校形，這種熱校形工藝校形時間長、成本投入大。國外約有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具有極高的保密性，國內對鈦合金薄壁件熱處理校形工藝參數的確定沒有形成成熟的規定。本文研究影響鈦合金薄壁件熱校形的不同因素[13]，對于正確掌握熱校形規律，根據實際情況合理選擇熱處理工藝參數具有重大指導意義。

本文采用退火熱校形工藝，設計Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火夾具，設計單因素試驗，研究退火溫度，升降溫速率和保溫時間對Ti6Al4V鈦合金薄壁件熱校形效果的影響。同時，將熱校形后鈦合金薄壁件變形與熱校形前初始變形進行對比分析，探討Ti6Al4V薄壁件熱校形規律，確定了合理的熱校形工藝參數，填補了國內對退火熱校形規律把握的不足，為航空航天整體結構薄壁件確定實際熱校形工藝參數提供實際參考和指導作用。

1 試驗設備及方案

鈦合金退火工藝采用去應力退火方式，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應力[14]，最終得到的試樣如圖1所示。根據標準《鈦及鈦合金的熱處理》[15]制定，標準規定Ti6Al4V鈦合金去應力退火溫度為480℃～650℃之間，保溫時間為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試，退火熱處理均在真空爐中進行。通過對試樣同一位置熱處理前后的變形測量，確定熱校形的大小，從而把握不同熱處理工藝參數的影響規律。

圖1 被測Ti6Al4V試樣

1.1 試驗設備

(1)真空爐：熱處理試驗在WZDJQ-20型單室真空氣淬爐中進行，其具有加壓(絕對壓力0.2MPa)氣冷功能的真空熱處理設備，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及快速冷卻等[16]。

(2)測量系統：設計搭建了Ti6Al4V鈦合金薄壁件變形測量平臺示意圖如圖1所示，采用基恩士激光位移傳感器LK-G30進行試驗變形測量。通過測得試樣變形前后的撓度的變化可以得到其變形量[3]。試樣變形測量示意圖如圖2所示。

圖2 利用激光位移傳感器測量試樣變形的平臺

(3)工裝結構：試樣尺寸為120mm×25mm×1mm 的Ti6Al4V鈦合金薄壁件。設計工裝結構如圖3所示。上下夾具之間采用螺栓連接。夾具內表面為半徑2800mm的圓弧面，夾具材料為1Cr18Ni9不銹鋼。夾具松開，將試樣放入夾具中，如圖3a所示，后通過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 試驗方案

在圖3所示的工裝結構的基礎上，研究工藝參數對Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火變形校正的影響，對比研究不同退火溫度、保溫時間、升溫速率以及冷卻速率對Ti6Al4V鈦合金薄壁件退火變形校正的影響規律，掌握工藝參數對退火變形校正的影響規律。

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

同時為了探討升溫速率、保溫時間以及冷卻方式對熱處理變形校正的影響，分別進行四組熱處理變形校正試驗，設定對照A熱處理工藝為退火溫度為650℃，升溫速率為20℃/min，保溫時間為1h，隨爐冷卻，其結果作為參考。試驗組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℃，其它工藝參數和A組一致；試驗組C為研究保溫時間對熱處理變形校正的影響，保溫時間為3h，其它工藝參數與A組一致；試驗組D以1℃/min的冷卻速率冷卻到300℃，隨后隨爐冷卻，其它工藝參數與A組一致。其對應表格如表1所示。

表1 熱校形試驗對照組

2 試驗結果分析

利用圖3所示的工裝結構對試樣進行裝夾，在真空率中進行退火處理試驗，分別取退火溫度為550℃、580℃、600℃、620℃和650℃，隨后進行隨爐冷卻。并在圖1所示測量平臺上測量試樣退火處理后的撓度，并與其初始撓度進行對比，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增大的趨勢。為進一步對比分析退火溫度對熱校形效果的影響，分別針對不同退火溫度下熱校形的試樣，對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比圖

圖5表明，當溫度由550℃升高到580℃的過程中，試樣經退火校正后的變形量相對較小，這主要歸結于退火溫度并未達到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，試樣經退火校正后變形量變化較為明顯，呈現快速增大的趨勢，此時最終熱校形校正量具有相應的快速增大趨勢，這主要歸結于退火溫度達到了Ti6Al4V鈦合金的蠕變激活能所需的溫度，在退火過程中試樣呈現較大的蠕變變形。在600℃到650℃的過程中，試樣經退火校正后變形量增長趨勢逐漸變緩，試樣最終熱校形校正量變化也呈現逐漸放緩的趨勢，這主要歸結于當試樣已經產生較大的蠕變變形的時，試樣內部的應力已呈現逐漸減小的趨勢，最終使得變形量呈逐漸減小的趨勢。總體而言，隨著退火溫度的升高，試樣經退火校正后變形量增加，增長速率隨著溫度的升高呈現先增加后減少的趨勢。

另外，在Ti6Al4V薄壁件熱處理過程中，其不僅受到溫度的影響使其產生明顯熱膨脹[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薄壁件在熱處理過程中，其熱膨脹作用更加明顯，校正夾具的約束作用增強，所受約束力增大，因而最終校正效果更好。

根據1.2節所述實驗方案研究升溫速率、保溫時間以及冷卻方式對熱校形效果的影響，最終結果如圖6所示。

圖6 Ti6Al4V薄壁件在不同工藝參數下熱校形效果對比圖

結果表明，當升溫速率由20℃/min降低到2℃/min時，試樣經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，使得其加熱時間增加，這里升溫速率降低為原先的十分之一，加熱時間也增加到原先升溫時間的10倍，在升溫期間，試樣就已經發生一定的變形，從而使得最終的熱校形效果更好；當保溫時間從1h改變到3h時，試樣經退火校正后變形增加效果明顯，這主要由于保溫時間越長，使得試樣有充裕的時間發生較大的蠕變變形，最終使得其校正效果在本實驗中呈現最優。同時實驗表明，冷卻速率的改變對熱校形效果的影響較小，這主要歸結于，當試樣發生較大的蠕變變形后，在冷卻階段，試樣內部的應力已經很小，盡管其冷卻速率的降低使得試樣在較高溫度下的時間增加，但是其內部的應力已經不足以使得試樣再次發生較為明顯的蠕變變形，同時，當溫度低于某一值時，由于未達到材料蠕變激活能所需要的溫度，其即使保溫再長的時間也不會發生很明顯的蠕變變化，因此最終表現為冷卻速率對結果的影響較弱。

3 結論

本文通過設計薄壁件熱校形夾具，通過單因素試驗，分析退火溫度，升溫速率，保溫時間以及冷卻速率對Ti6Al4V鈦合金薄壁件熱校形效果的影響規律，最終可以得到結論如下：

(1) 退火溫度，升溫速率以及保溫時間對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間的延長而呈現增加的趨勢，唯獨冷卻速率對熱校形變形量的影響較小；(2) 當退火溫度從550℃增加到600℃時，熱校形的變形量的增加速率較大，當溫度進一步升高到650℃時，熱校形的變形量的增加逐漸緩慢，根據文章實驗的結果，在650℃的退火溫度下，Ti6Al4V試樣的熱校形效果的還是呈現了較為明顯的優勢；

(3) 利用試驗所得出的結論對合理選擇薄壁件熱校形工藝參數給出了優化建議：為得到較大的熱校形效果，熱處理過程中可以選取650℃作為退火溫度，適當選取較低的升溫速率，并且應合理增加退火保溫時間,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

國家自然科學基金(51405226) ; 江蘇省自然科學基金(SBK2014043631)

徐建軍(1990—)，男，江蘇泰興人，南京航空航天大學碩士研究生，研究方向為先進制造技術，(E-mail)xujianjun9011@163.com。

TH140.7;TG156

A