大型鈦合金復雜件熱處理變形控制研究

毛歡

摘要：為消除長度大、壁厚小、型面結構復雜的鈦合金工件在機械加工過程中帶來的應力，通過對工件在機械加工中安排多次熱處理變形控制試驗，設計制造了熱處理變形控制專用工裝，測試每次熱處理前后工件型面變形量的大小，不斷完善工裝設計中的缺陷，最終確定了適合復雜結構的鈦合金工件的熱處理變形控制工裝，既最大程度的消除了工件的殘余應力又減小了熱處理過程中的變形量。

關鍵詞：鈦合金；應力；變形量

鈦及鈦合金具有許多重要的特性，在眾多特性中，鈦和鈦合金最為顯著的優點就是比強度高和耐腐蝕性好。已經使鈦合金成為航空、航天領域重要的結構材料[1]。然而鈦合金在機械加工時比較粘刀，鈦合金材料彈性模量大，給機械加工帶來很大的難度，難免會造成在機械加工和熱處理時對工件產生變形，如：翹起和扭曲。這一問題的存在不但影響工件的裝配，同時可能會造成工件報廢。

1 鈦合金工件概況

鈦合金工件材料牌號為Ti6Al4V，原材料采用的是激光成型毛坯，工件長度近3000mm，寬約500mm，壁厚從最小不到4mm處沿曲面變化到最大的16mm處，工件的肋面厚度不到5mm，也是隨曲面變化。

2 研究過程及方法

2.1 加工工藝流程

毛坯粗加工（留4mm余量）—檢測變形量—熱處理—檢測變形量—精加工—檢測變形量—熱處理—檢測變形量。

2.2 處理前工件的裝夾

對大型復雜件設計、制造了專用工裝，工件熱處理前按照刻線定位的方式，將工件放置在工裝上，利用螺栓及楔塊的方法將工件在工裝上定位并裝夾。

2.3 熱處理工藝流程

在機械加工過程中安排2次的熱處理變形控制試驗，每次熱處理前將在工裝上裝夾好的工件，在室溫下裝入真空爐內，以每分鐘小于8℃的速度升溫到600℃，在600℃保溫23小時，保溫結束后工件隨爐以緩慢的速度冷卻至室溫后，將工件出爐。并且對工件在其每次熱處理前后都進行了變形量檢測。

2.4 試驗結果

對工件易變形部位熱處理前及熱處理后進行了變形量檢測，檢測結果見下表。

3 結果與討論

3.1 熱處理工裝的設計與制造

工裝設計不能采用螺栓固定、加緊工件；不能采用刻外形線的方式定位；工件同工裝熱處理后，往往會出現螺栓等緊固件難以拆卸，外形刻線模糊不清的現象，所以應采用機加工藝數模設計工裝，利用機械加工的方式的定位；工件在熱處理工裝上的基準面應與機加的基準型面相同；工裝與工件的貼合面最好使用和工件同材料制造。

3.2 熱處理工裝的穩定性

熱處理工裝在制造過程中，產生了較大的機械加工應力和焊接應力，在使用前必須消除應力熱處理，然后經測量機檢測工裝型面變形量，再進行工裝返修，進而保證工裝的使用精度。

3.3 工件的在工裝上的裝夾

工件熱處理后在工裝上未將緊固裝置拆卸前型面間隙與工裝貼合較好，松開后間隙隨之變大，這與鈦合金材料彈性模量大、易反彈是分不開的。對于不同結構形式的工件，應先預判熱處理后易變形的部位，加工量越大、壁厚越小的地方是最易變形的部位，對于易變形的部位在工裝上的定位方式和夾緊的程度，均需要多次試驗的經驗積累來確定。

3.4 工件的機械加工流程優化調整

鈦合金大型工件在粗加工過程中，加工量越大，產生的應力就越大，同時會產工件型面變形，熱處理后工件變形也會增大，為了減少熱處理后的變形，在機械加工過程中需要安排多次的去應力退火；合理的分配每次加工量和切削進刀量；工件上的槽或缺口等不用全部加工，盡量安排在精加工狀態，進而保證工件熱處理時的剛度，冷工藝加工也在通過試驗摸索更好的加工工藝流程以減小工件變形量和機械加工應力。

4 結論

（1）為減小工件熱處理后的變形量，工裝設計以冷加工工藝數模為準，工件在熱處理工裝上的基準面應與機械加工的基準型面相同。

（2）為減小工件熱處理后的變形量，工裝的定位型面精度應為工件在工裝上貼合面精度的三倍，工件熱處理前后型面變形量的測量基準需要統一，以最精密的為準。

（3）為減小工件熱處理后的變形量，工件在工裝上的定位以定位孔的方式定位，采用熱處理后容易拆卸的夾緊方法固定在工裝上的工件。

（4）為減小工件熱處理后的變形量，工裝在首次使用前應進行烘燒消應力、檢測以及返修。

（5）為減小工件熱處理后的變形量，在機械加工過程中需要安排多次的去應力退火；合理的分配每次機械加工去除量；工件上的槽和缺口不用全開或盡量安排在精加工之后，增加工件在熱處理時整體剛性。

參考文獻：

[1]總編委會主編.航空制造工程手冊[2版].北京：航空工業出版社，2010.12.