熱處理溫度對金屬隔膜用工業純鈦力學性能的影響

歐陽瑞潔, 苗春昊, 張 海, 楊文博, 董翔宇

(蘭州空間技術物理研究所, 甘肅 蘭州 730000)

金屬隔膜貯箱是一種先進的、適應于空間工作的推進劑貯箱,在重力、微重力、高溫環境下為液體動力系統貯存和管理推進劑,可向發動機提供不含氣體的推進劑,廣泛應用于空間飛行器及導彈系統控制領域,具有推進劑晃動小、排流量大、可靠性高、在側向過載條件下能可靠排放和工況突變適應能力強等優點,廣泛應用于經常變軌、姿態調整頻繁、機動性強的航天器中[1-3]。金屬隔膜貯箱的管理裝置是貯箱的關鍵部件,金屬隔膜貯箱工作時,增壓氣體擠壓金屬隔膜,將推進劑擠入輸送管路,實現推進劑的供應,貯箱推進劑排放期間金屬隔膜要經歷從上半球翻轉到下半球的彈塑性大變形,排放性能受金屬隔膜材料性能、外形尺寸、隔膜厚度及連接邊界等諸多因素的影響,因此貯箱的關鍵技術是金屬隔膜設計及其材料特性[4]。工業純鈦隔膜密度小、比強度、比剛度較大,翻轉過程穩定可控,不易產生褶皺,同時具有易焊接、耐腐蝕性強、耐高溫等優異性能,已廣泛應用于金屬隔膜的加工制造[5-7]。

金屬隔膜的力學性能對隔膜的翻轉壓差、翻轉過程的穩定性具有重要作用,為實現穩定翻轉,對其原材料的抗拉強度和規定非比例延伸強度提出了較高的要求。現有的工業純鈦原材料雖已可滿足大多數金屬隔膜的使用要求[8],但對于某些結構特殊的金屬隔膜,對原材料綜合力學性能要求較高,原材料本身難以達到使用需求,需通過加工過程中的熱處理方式進一步提升材料性能。此外,目前采用的金屬隔膜制造工藝大多采用沖壓成形與機械加工結合的方法,隔膜組件經焊接而成,生產過程中會產生熱應力及加工應力,產生應力集中,為金屬隔膜穩定翻轉帶來不利影響。為去除應力,通常在沖壓成形及焊接后,采取去應力退火熱處理。去應力退火可消除加工硬化現象,有效改善局部應力集中,但同時會降低材料斷后伸長率,若要進一步提升材料綜合性能,得到抗拉強度和斷后伸長率均較高的金屬隔膜,還需深入研究熱處理工藝,在去除加工應力的同時,通過材料組織再結晶,得到塑性更強、翻轉性能更好的金屬隔膜。

本文通過對TA1ELI板材熱處理工藝的研究,探究不同熱處理溫度對該原材料力學性能的影響趨勢,為有效提高金屬隔膜力學性能的熱處理工藝提供理論依據,同時,將優化后的熱處理工藝應用于實際產品,得到了性能完全滿足使用需求的金屬隔膜。

1 試驗材料及方法

試驗所用原材料為TA1ELI工業純鈦板,其規格(長×寬×高)為720 mm×720 mm×20 mm,其化學成分如表1所示。試驗鈦板共10張,按表2所示的溫度進行真空熱處理工藝試驗,保溫時間均為2 h,冷卻方式為隨爐冷卻。試件熱處理后加工為標準拉伸試樣進行室溫力學性能測試,拉伸試件尺寸及試驗方法按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》執行,試件示意圖見圖1。對采用不同溫度進行熱處理后的鈦板力學性能進行分析,得出可滿足要求的最優熱處理工藝。

圖1 原材料拉伸試樣簡圖Fig.1 Schematic diagram of the raw material tensile specimen

表1 TA1ELI鈦板化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of the TA1ELI titanium plate (mass fraction, %)

表2 真空熱處理試驗溫度Table 2 Temperature of vacuum heat treatment test

采用試驗確定的最優熱處理參數對加工完成的金屬隔膜零件進行熱處理,從零件上取樣進行實際加工后的力學性能分析,驗證實際力學性能是否滿足表3的要求,隔膜拉伸試樣示意圖見圖2。

圖2 金屬隔膜拉伸試樣簡圖Fig.2 Schematic diagram of the metal diaphragm tensile specimen

表3 金屬隔膜力學性能指標Table 3 Mechanical properties of metal diaphragm

2 結果與分析

2.1 不同熱處理溫度下鈦板的力學性能

從編號為1～10的每張鈦板上分別取4個拉伸試樣,其中3個分別在610、660和710 ℃下進行真空熱處理,另一個不做處理,試樣室溫力學性能各項指標如圖3所示。從試驗結果可以看出,試驗鈦板原始狀態的抗拉強度在301～311 MPa之間,規定非比例延伸強度在170～196 MPa之間,斷后伸長率在52%～62.6%之間,部分指標無法滿足金屬隔膜的力學性能要求。對比610、660、710 ℃ 3種熱處理溫度下材料的力學性能發現,與原始態相比,經真空熱處理后材料的抗拉強度、規定非比例延伸強度均有所下降,斷后伸長率則有不同程度的提升,采用710 ℃進行真空熱處理時,所有試樣的斷后伸長率均達到60%以上,因此可以認為對原材料進行710 ℃真空熱處理可有效提升鈦板的斷后伸長率。

圖3 不同熱處理溫度下試驗鈦板的力學性能(a)抗拉強度;(b)規定非比例延伸強度;(c)斷后伸長率;(d)斷面收縮率Fig.3 Mechanical properties of the tested titanium plates at different heat treatment temperatures(a) tensile strength; (b) proof strength at 0.2% non-proportional extension; (c) elongation; (d) percentage reduction of area

2.2 熱處理溫度對力學性能的影響

通過試驗結果可以看出,對TA1ELI純鈦板進行610～710 ℃的熱處理后,鈦板的力學性能變化趨勢基本一致,其中抗拉強度和規定非比例延伸強度有所下降,斷后伸長率有所提升,斷面收縮率則變化不明顯。為進一步探究不同的熱處理溫度對力學性能的影響規律,對各組力學性能試驗數據的平均值及其與原始態相比的變化幅度進行了統計,結果如表4所示。

表4 不同熱處理溫度下試驗鈦板力學性能平均值統計Table 4 Average statistics of mechanical properties of the tested titanium plates heat treated at different temperatures

由表4可以看出,采用600 ℃以上的溫度進行熱處理,原材料抗拉強度和規定非比例延伸強度下降的幅度差距均不大,在710 ℃熱處理后規定非比例延伸強度下降略低,斷面收縮率變化幅度最小,斷后伸長率則會隨著熱處理溫度的升高而提升,金屬隔膜的翻轉性能也會越好。

經分析,當TA1ELI純鈦板退火溫度在590 ℃以上時,內部會出現明顯的等軸晶,隨溫度升高,晶粒繼續長大,等軸晶會不斷增多,在670 ℃以下時,晶粒長大相對緩慢,當退火溫度升高到670 ℃以上時,晶粒基本等軸化,長大速度加快,此時組織已完全再結晶,在700 ℃以上時,晶粒形態不再發生明顯變化,僅晶粒尺寸增加,在730 ℃以上時,晶粒尺寸迅速長大粗化[9-10]。因此,TA1ELI純鈦板進行再結晶退火后,不僅消除了加工硬化現象,使得TA1ELI純鈦板抗拉強度及規定非比例延伸強度略有下降,達到了去應力效果,同時,在加熱保溫過程中,隨溫度升高,金屬變形時產生的位錯發生攀移,逐漸形成大角度晶界,并產生細小晶核,隨溫度進一步升高,位錯、空位、殘余應力以及變形不均勻部分消失,晶粒開始逐漸長大并等軸化[11],再結晶退火能讓鈦原子獲得更多的熱能,使塑性變形后的金屬被拉長,晶粒重新生核、結晶,變為與變形前晶格結構相同的等軸新晶粒,提高TA1ELI純鈦板材料塑性、延展性和韌性,便于加工成形,避免后期加工過程中出現開裂、破壞等現象。

2.3 金屬隔膜熱處理

經上述試驗與分析認為,TA1ELI純鈦板軋制后,進行600 ℃以上的真空熱處理,可得到抗拉強度和斷后伸長率均較高的力學性能。由于當TA1ELI純鈦板熱處理溫度高于700 ℃時,組織晶粒長大粗化,材料抗拉強度持續下降,若在鈦板原始態基礎上強度下降過多,對于抗拉強度和斷后伸長率指標要求均較高的金屬隔膜,會因強度不足而無法實現穩定翻轉,因此金屬隔膜焊接后的真空退火熱處理參數,應在綜合考慮設計指標要求的基礎上進行選取。對金屬隔膜零件710 ℃×2 h真空退火后取樣,拉伸試驗結果如表5所示,能夠滿足表3提出的指標要求。

表5 金屬隔膜力學性能Table 5 Mechanical properties of the metal diaphragm

選兩件隔膜分別采用610 ℃×2 h和710 ℃×2 h的真空退火工藝進行焊后處理,并完成翻轉試驗,從試驗結果可以看出,隔膜均可完全翻轉,采用710 ℃退火與610 ℃退火相比,隔膜翻轉過程更加穩定,翻轉后的曲面更加光滑(見圖4),翻轉性能更好。

圖4 經不同工藝焊后熱處理后金屬隔膜翻轉后狀態Fig.4 Appearance of the metal diaphragm after different post weld heat treatment after inversion(a) 610 ℃×2 h; (b) 710 ℃×2 h

3 結論

1) 與原始態相比,經610、660、710 ℃ 3種溫度真空退火處理后,TA1ELI板材的抗拉強度、規定非比例延伸強度和斷面收縮率均有所下降,斷后伸長率有所提升。

2) TA1ELI鈦板斷后伸長率會隨著熱處理溫度的升高而提升,采用710 ℃進行真空退火處理時,斷后伸長率均可達到60%以上。

3) 通過熱處理工藝研究,得到不同熱處理制度對材料力學性能的影響,可根據產品實際的設計特性,制定合理的熱處理工藝參數。對于抗拉強度和斷后伸長率指標要求均較高的金屬隔膜,應選用710 ℃×2 h的真空退火工藝,以得到力學性能符合設計要求的最終產品。