一種改善鈦合金焊接構(gòu)件性能的亞再結(jié)晶退火工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，焊后熱處理退火溫度采用亞再結(jié)晶退火溫度，即為再結(jié)晶溫度TRC以下50～80℃，加熱保溫，沖擊韌度akU值、斷裂韌度KIC值提高了30％以上，韌性指標明顯改善。經(jīng)過亞再結(jié)晶退火焊后熱處理的鈦合金焊接構(gòu)件，不僅殘余應力消除更充分，而且由于焊縫中α相的析出形成編織結(jié)構(gòu)，使構(gòu)件具有良好的綜合性能，從而使得焊接工藝在航空、航天等領(lǐng)域的重要承力結(jié)構(gòu)上得到應用，為進一步發(fā)揮焊接工藝的優(yōu)勢奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明適用于近α和α-β鈦合金。
【專利說明】一種改善鈦合金焊接構(gòu)件性能的亞再結(jié)晶退火工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高焊接構(gòu)件性能匹配度及沖擊韌性aku和斷裂韌性Krc，并充分消除構(gòu)件內(nèi)部殘余應力的新型熱處理技術(shù)-亞再結(jié)晶退火工藝，屬于材料科學【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于近α和α-β兩相鈦合金構(gòu)件的焊后熱處理。
【背景技術(shù)】
[0002]目前常用的焊接方法，不論是潛弧焊還是氬弧焊，隨著焊接構(gòu)件厚度的增加，需要在焊接對接處添加焊料，添加焊料后，由于其與焊接構(gòu)件材料即母材不同，也即接頭處冶金成分與母材不同，焊接后殘余應力很大，為此焊接后常采用去應力退火工藝。添加焊料的焊接接頭寬度寬，過渡區(qū)也大，接頭冶金如化學成分與母材差異較大，不均質(zhì)性明顯，焊件無法達到母材性質(zhì)，承載能力降低，產(chǎn)生應力集中；疲勞強度降低，易引起焊件破裂導致脆斷。此外，其他性能如耐腐蝕性能也變差。后來發(fā)展了電子束焊接方法。
[0003]電子束焊接因具有不用焊條、不易氧化、工藝重復性好及熱變形量小的優(yōu)點而廣泛應用于航空航天、原子能、國防及軍工、汽車和電氣電工儀表等眾多行業(yè)。電子束焊在大厚度零件如大于40mm厚度零件的焊接方面具有突出的優(yōu)勢:焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、接頭晶粒細、接頭性能好。電子束焊接可以不加焊料直接焊接，焊縫較窄，過渡區(qū)小，但由于焊接的性質(zhì)，焊后仍然存在殘余應力。到目前為止，國內(nèi)外對于電子束焊接的焊后熱處理也采用與添加焊料相同的去 應力退火工藝。
[0004]根據(jù)國內(nèi)外鈦合金焊接試驗研究和工程應用的經(jīng)驗，不加焊料的焊接接頭，如果仍采用去應力退火，焊接接頭的沖擊韌度和斷裂韌度較低(aKU—般低于30J/cm2，Krc低于
60 MPa^ )，不能滿足設計使用要求。發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)，去應力退火后，從焊接接頭
硬度分布、殘余應力測量和顯微組織分析結(jié)果看，現(xiàn)有去應力退火的工藝條件下，不足以使焊接快速熱循環(huán)造成的焊縫亞穩(wěn)態(tài)組織(α ’、亞穩(wěn)β)充分分解，焊縫過飽和的淬火狀態(tài)沒有得到有效緩解，焊縫接頭處硬度、強度水平高，接頭韌度低，這些缺點制約了不加焊料的電子束焊接及其他焊接工藝在飛機等重要承力構(gòu)件上的應用。因此欲使用該焊接方法，首先要在接頭性能提高特別是接頭韌性方面取得突破，使接頭性能達到設計使用要求。
[0005]針對焊后熱處理工藝，申請?zhí)?01010187483.2公開了一種TC18鈦合金焊接零件的焊后真空熱處理工藝，采用固溶時效工藝+階梯升溫來解決接頭強度提高和構(gòu)件變形的問題，其退火溫度在再結(jié)晶溫度以上，與本發(fā)明解決的焊接接頭性能匹配及提高接頭韌性目的不同。另外該文獻針對的TC18鈦合金本質(zhì)上屬于近β鈦合金，與本發(fā)明針對的近α和α-β鈦合金適用對象不同。
[0006]《航空制造技術(shù)》，2004年增刊的文章“熱處理對ΤΑ15鈦合金電子束焊接接頭力學性能和微觀組織的影響”公開了真空焊后熱處理對接頭性能的影響，由表3-4可見，隨著熱處理退火溫度提高，抗拉強度、截面收縮率、延伸率和沖擊韌性并沒有一致的變化趨勢，而是呈波動狀態(tài)。因此，該文獻研究結(jié)果并不能提供提高焊接接頭韌性的思路。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，可以使得構(gòu)件的焊接殘余應力消除更充分，防止變形開裂；進一步地，還使構(gòu)件具有良好的綜合力學性能，能滿足在重要承力結(jié)構(gòu)上的應用。
[0008]為了解決前述技術(shù)問題，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:
[0009]一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，焊后熱處理退火溫度采用亞再結(jié)晶退火溫度，即為再結(jié)晶溫度Trc以下50~80 C，加熱保溫。
[0010]與去應力退火制度的效果相比，本發(fā)明使焊接接頭的沖擊韌性aku和斷裂韌性Krc提高30%以上。該退火溫度適用于所有不加焊料的鈦合金焊接方式，如氬弧焊、電阻焊、潛弧焊；也適用于不加焊料或施加焊料的電子束焊接。
[0011]該鈦合金為近α和α-β鈦合金。
[0012]優(yōu)選地，再結(jié)晶溫度Tkc以下50~80°C，電爐中加熱保溫、空冷(AC)。
[0013]優(yōu)選地，若零件焊后無法進行機加工，則在Tk以下50~80°C，真空爐中加熱保溫，然后隨爐冷卻(FC)或氣冷。
[0014]優(yōu)選地，真空爐真空度是IX 10_2~lX10_4Pa。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]本發(fā)明提出一種亞再結(jié)晶退火工藝，該工藝與現(xiàn)有去應力退火的區(qū)別在于，現(xiàn)有去應力退火工藝，不管是什么樣的鈦合金或哪種焊接方法，退火溫度一般均在600°C左右，而本發(fā)明是根據(jù)鈦合金再結(jié)晶溫度選定退火工藝制度。因為再結(jié)晶溫度與材料及其變形量有關(guān)，不同材料，再結(jié)晶溫度不同；同一種材料變形量不同，其再結(jié)晶溫度也不同。針對再結(jié)晶溫度制訂焊后熱處理工藝，克服了以往只按一種溫度去應力退火溫度制度的盲目性。因此，本發(fā)明開辟了一種全新的工藝思路，根據(jù)材料和變形量的不同選擇退火溫度，會出現(xiàn)同一材料由于變形量不同，工藝參數(shù)選擇相差很大的情況，而這正是本發(fā)明的創(chuàng)新之處。
[0017]需要特別指出的是，經(jīng)過大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于鈦合金而言，其有關(guān)性能與常規(guī)的其他金屬材料明顯不同，比如，塑性參數(shù)如延伸率和斷面收縮率(即截面收縮率)提高，并不能提高沖擊韌性和斷裂韌性，而是斷裂韌性與塑性成反比。本發(fā)明的主要目的是解決近α和α-β鈦合金焊接接頭韌性及接頭性能的匹配問題，經(jīng)過大量的試驗研究分析，提出了一種亞再結(jié)晶退火工藝，利用“回復軟化一過飽和的亞穩(wěn)態(tài)組織(α ’、亞穩(wěn)β轉(zhuǎn)變組織)充分分解一應力釋放”原理，結(jié)合近α和α-β鈦合金本身的特有性質(zhì)，適當降低接頭強度，使塑韌性得到恢復，解決鈦合金焊接構(gòu)件強度匹配度以及沖擊韌度和斷裂韌度低的問題，使焊接構(gòu)件性能達到設計使用要求。
【具體實施方式】
[0018]以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]具體實施例一:中等厚度焊接件-厚度δ 40mm
[0020]1、定位:焊前用鋼絲刷蘸丙酮打磨試板、墊板各面，再用絲綢布蘸丙酮將試板和墊板各面擦拭干凈。試 板兩端對接接縫用氬弧焊連續(xù)定位，焊接電流為216A。試板與墊板之間進行3處30mm長焊縫定位。[0021]2、焊接試板:電子束焊機為中壓電子束焊機。工作距離為190mm，真空室真空度為
1.4Xl(T3mbar，電子槍內(nèi)真空度為 1.lXl(T5mbar。
[0022]TA15電子束焊接工藝為:根據(jù)焊接厚度δ 40mm,工作距離D = 180mm,焊接速度V=300mm/min,加速電壓U = 55kV,焊接電流I = 300mA,聚焦電流If = 2.0A。
[0023]3、焊后熱處理:焊后熱處理制度為電爐中或真空爐，830°C X2.0h,電爐中為空冷AC ;真空爐中為爐冷FC。
[0024]具體實施例二:大厚度焊接件-厚度δ 80mm
[0025]1、定位:焊前用鋼絲刷蘸丙酮打磨試板、墊板各面，再用絲綢布蘸丙酮將試板和墊板各面擦拭干凈。試板兩端對接接縫用氬弧焊連續(xù)定位，焊接電流為216A。試板與墊板之間進行3處30mm長焊縫定位。
[0026]2、焊接試板:電子束焊機為中壓電子束焊機。工作距離為190mm，真空室真空度為
1.4Xl(T3mbar，電子槍內(nèi)真空度為 1.lXl(T5mbar。
[0027]TA15電子束焊接工藝為:根據(jù)焊接厚度δ 80mm,工作距離D = 200mm,焊接速度V=600mm/min,加速電壓U = δ 5kV,焊接電流I = 600mA,聚焦電流If = 2.12A。
[0028]3、焊后熱處理:焊后熱處理制度采用電爐中或真空爐840°C X2.5h，電爐中為空冷AC，真空爐中為爐冷FC。
[0029]本發(fā)明技術(shù)應用于TA15電子束焊接頭焊后熱處理上，對于TA15電子束焊接頭經(jīng)過亞再結(jié)晶退火工藝后，不僅殘余應力消除更充分，而且由于焊縫中α相的析出形成編織結(jié)構(gòu)，使接頭具有良好的綜合性能，見表1、表2。
[0030]表1具體實施例一(中等厚度焊接件-δ 40mm,再結(jié)晶溫度為880°C )
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，其特征在于，焊后熱處理退火溫度采用亞再結(jié)晶退火溫度，即為再結(jié)晶溫度Tkc以下50~80°C，加熱保溫；優(yōu)選地，焊后熱處理為再結(jié)晶溫度Tkc以下50~80°C在電爐中加熱保溫、空冷；或優(yōu)選地，焊后熱處理為再結(jié)晶溫度Tkc以下50~80°C在真空爐中加熱保溫、隨爐冷卻(FC)或氣冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，其特征在于，與去應力退火溫度相比，焊接構(gòu)件的沖擊韌性aku和斷裂韌性Kk提高30%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，其特征在于，該亞再結(jié)晶退火溫度適用于所有不加焊料的鈦合金焊接方式，如氬弧焊、電阻焊或潛弧焊；也適用于不加焊料和施加焊料的電子束焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，真空爐真空度是 1Χ10-2 ~lXl0~4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種鈦合金焊接構(gòu)件的亞再結(jié)晶退火工藝，其特征在于，優(yōu)選適用于大于40mm的大厚度鈦合金零件的電子束焊。
【文檔編號】C22F1/18GK103938138SQ201410136488
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】張旺峰, 郭紹慶, 王玉會, 張慶玲, 李興無 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院