大型钛合金复杂件热处理变形控制研究

毛欢

摘要：为消除长度大、壁厚小、型面结构复杂的钛合金工件在机械加工过程中带来的应力，通过对工件在机械加工中安排多次热处理变形控制试验，设计制造了热处理变形控制专用工装，测试每次热处理前后工件型面变形量的大小，不断完善工装设计中的缺陷，最终确定了适合复杂结构的钛合金工件的热处理变形控制工装，既最大程度的消除了工件的残余应力又减小了热处理过程中的变形量。

关键词：钛合金；应力；变形量

钛及钛合金具有许多重要的特性，在众多特性中，钛和钛合金最为显著的优点就是比强度高和耐腐蚀性好。已经使钛合金成为航空、航天领域重要的结构材料[1]。然而钛合金在机械加工时比较粘刀，钛合金材料弹性模量大，给机械加工带来很大的难度，难免会造成在机械加工和热处理时对工件产生变形，如：翘起和扭曲。这一问题的存在不但影响工件的装配，同时可能会造成工件报废。

1 钛合金工件概况

钛合金工件材料牌号为Ti6Al4V，原材料采用的是激光成型毛坯，工件长度近3000mm，宽约500mm，壁厚从最小不到4mm处沿曲面变化到最大的16mm处，工件的肋面厚度不到5mm，也是随曲面变化。

2 研究过程及方法

2.1 加工工艺流程

毛坯粗加工（留4mm余量）—检测变形量—热处理—检测变形量—精加工—检测变形量—热处理—检测变形量。

2.2 处理前工件的装夹

对大型复杂件设计、制造了专用工装，工件熱处理前按照刻线定位的方式，将工件放置在工装上，利用螺栓及楔块的方法将工件在工装上定位并装夹。

2.3 热处理工艺流程

在机械加工过程中安排2次的热处理变形控制试验，每次热处理前将在工装上装夹好的工件，在室温下装入真空炉内，以每分钟小于8℃的速度升温到600℃，在600℃保温23小时，保温结束后工件随炉以缓慢的速度冷却至室温后，将工件出炉。并且对工件在其每次热处理前后都进行了变形量检测。

2.4 试验结果

对工件易变形部位热处理前及热处理后进行了变形量检测，检测结果见下表。

3 结果与讨论

3.1 热处理工装的设计与制造

工装设计不能采用螺栓固定、加紧工件；不能采用刻外形线的方式定位；工件同工装热处理后，往往会出现螺栓等紧固件难以拆卸，外形刻线模糊不清的现象，所以应采用机加工艺数模设计工装，利用机械加工的方式的定位；工件在热处理工装上的基准面应与机加的基准型面相同；工装与工件的贴合面最好使用和工件同材料制造。

3.2 热处理工装的稳定性

热处理工装在制造过程中，产生了较大的机械加工应力和焊接应力，在使用前必须消除应力热处理，然后经测量机检测工装型面变形量，再进行工装返修，进而保证工装的使用精度。

3.3 工件的在工装上的装夹

工件热处理后在工装上未将紧固装置拆卸前型面间隙与工装贴合较好，松开后间隙随之变大，这与钛合金材料弹性模量大、易反弹是分不开的。对于不同结构形式的工件，应先预判热处理后易变形的部位，加工量越大、壁厚越小的地方是最易变形的部位，对于易变形的部位在工装上的定位方式和夹紧的程度，均需要多次试验的经验积累来确定。

3.4 工件的机械加工流程优化调整

钛合金大型工件在粗加工过程中，加工量越大，产生的应力就越大，同时会产工件型面变形，热处理后工件变形也会增大，为了减少热处理后的变形，在机械加工过程中需要安排多次的去应力退火；合理的分配每次加工量和切削进刀量；工件上的槽或缺口等不用全部加工，尽量安排在精加工状态，进而保证工件热处理时的刚度，冷工艺加工也在通过试验摸索更好的加工工艺流程以减小工件变形量和机械加工应力。

4 结论

（1）为减小工件热处理后的变形量，工装设计以冷加工工艺数模为准，工件在热处理工装上的基准面应与机械加工的基准型面相同。

（2）为减小工件热处理后的变形量，工装的定位型面精度应为工件在工装上贴合面精度的三倍，工件热处理前后型面变形量的测量基准需要统一，以最精密的为准。

（3）为减小工件热处理后的变形量，工件在工装上的定位以定位孔的方式定位，采用热处理后容易拆卸的夹紧方法固定在工装上的工件。

（4）为减小工件热处理后的变形量，工装在首次使用前应进行烘烧消应力、检测以及返修。

（5）为减小工件热处理后的变形量，在机械加工过程中需要安排多次的去应力退火；合理的分配每次机械加工去除量；工件上的槽和缺口不用全开或尽量安排在精加工之后，增加工件在热处理时整体刚性。

参考文献：

[1]总编委会主编.航空制造工程手册[2版].北京：航空工业出版社，2010.12.