Ti55531钛合金消除应力退火工艺研究

李 博，周发斌

(中航飞机起落架有限责任公司，陕西 汉中 723200)

Ti55531钛合金是一种新型高强高韧β型合金，其名义成分为Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。该合金与Ti-1023合金相比，其冶炼、加工成本低，不会产生明显的成分偏析，且具有强度优异和断裂强度高等优点，拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，特别适合制造必须承受巨大应力的零部件，比较适用于结构件和起落架、机翼、发动机挂架之间连接装置等，在航空航天工业中日益受到青睐[1-3]。

中航飞机起落架有限责任公司新研制的某型机起落架零件——车架横梁，采用了Ti55531钛合金材料作为重要承力件，尚属国内首次应用，基于零件加工需求及国内对Ti55531钛合金消除应力退火工艺未见公开报道，本工作重点研究了温度、时间对Ti55531消除应力程度的影响，并与成熟的TC18钛合金材料进行了对比，最终确定了Ti55531钛合金消除应力的最佳工艺参数。

1 工艺试验

1.1 试件

试件材料为国产Ti55531钛合金，其化学成分见表1。试件规格如图1所示，表面粗糙度

1.2 保护涂料

钛合金非常活泼，在热处理过程中很容易受到氢、氧、氮等元素的污染。钛与氧作用会生成氧化膜，氧化膜向内扩散形成塑性很差的富氧α相层；吸氢后容易导致氢含量超标，留下氢脆隐患[4-5]。标准规定热处理可选用真空炉、可控气氛炉或涂料(Ti-1#和Ti-3#)保护法3种方式之一，本研究选用涂料保护后进行退火热处理。

表1 Ti55531钛合金化学成分(质量分数) (%)

图1 试件规格

1.3 工艺试验

按不同工艺参数分别对试件进行退火处理，在试件长度方向选取不同点用残余应力测试仪检测应力；用拉伸试验机WDW-500测试抗拉强度；用氢含量测试仪ONH836检测氢含量；用金相显微镜BX41M检测富氧α相，并做好记录。

1.3.1 不同温度下的退火试验

1)固定退火时间3 h，采用空冷的冷却方式。对试件分别在700、680、660、640、620和600 ℃条件下，退火处理并进行相关检测，数据记录见表2和表3。

表2 应力检测结果

表2和表3结果表明，氢含量、富氧α相均符合标准要求；应力消除程度Δf(Δf=f1-f2)为220.4～238.7 MPa；抗拉强度为1 240～1 320 MPa，其中部分超出标准要求。

2)固定退火时间3 h，采用空冷的冷却方式。对试件分别在580、560、540、520、500和480 ℃条件下，退火处理并进行相关检测，数据记录见表4和表5。

表3 富氧α相和氢含量测试结果

表4 应力检测结果

表5 富氧α相和氢含量测试结果

表4和表5结果表明，抗拉强度为1 220～1 250 MPa；氢含量、富氧α相均符合标准要求；应力消除程度Δf(Δf=f1-f2)为178.5～210.4 MPa。

3)固定退火时间3 h，采用空冷的冷却方式。对试件分别在440、420、400、380和360 ℃条件下，退火处理并进行相关检测，数据记录见表6和表7。

表6 应力检测结果

表7 富氧α相和氢含量测试结果

表6和表7结果表明，抗拉强度为1 220～1 240 MPa；氢含量、富氧α相均符合标准要求；应力消除程度Δf(Δf=f1-f2)为145.1～168.4 MPa，消除应力程度最低。

4)不同温度对抗拉强度及应力消除程度的影响分别如图2和图3所示。

图2 不同温度对抗拉强度的影响

由图2和图3可知，选择500～640 ℃消除应力退火时，既能保证Ti55531钛合金材料退火后的抗拉强度完全合格，又能保证消除应力程度适中。

图3 不同温度对应力消除的影响

1.3.2 不同退火时间下的工艺试验

固定退火温度为500～640 ℃区间内任意一点，例如580 ℃，退火时间分别按0.5 h、1 h、2 h、3 h、…、8 h进行试验，检测结果见表8。应力消除程度随着时间的变化曲线如图4所示。

表8 应力、富氧α相和氢含量检测结果

图4 不同时间应力消除程度

表8结果表明，富氧α相、氢含量均符合标准要求。由图4可知，同种规格下，应力消除程度随着时间的增加，程度较明显，但时间超过3 h后，应力消除量趋于平稳，故该材料消除应力时间≥3 h。

1.3.3 Ti55531与TC18 M对比试验

用近β型钛合金中较为成熟的材料TC18 M与Ti55531进行对比，分别在640、620、600、580、540、520和500 ℃条件下退火3 h，空冷。TC18 M退火前f1=920.8 MPa，退火后应力f2检测结果见表9。

表9 TC18 M退火后应力测试结果

2 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)在消除应力时间相同的条件下，相对较高的温度有利于Ti55531钛合金应力的消除。

2)在温度相同的条件下，延长时间有利于应力的消除，但时间超过某点时，消除程度明显减缓。

3)Ti55531钛合金退火消除应力的最佳温度为500～640 ℃，时间≥3 h。