板彈簧真空時效處理工藝研究

郝 宏，茍世寧，趙云平，曹 鵬，曹 珍

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

Ti－15－3(Ti－15V－3Cr－3Sn－3Al)合金材料是70年代后期在美國空軍的資助下研制和開發(fā)的一種新型的亞穩(wěn)β型鈦合金，具有高強度、優(yōu)異的冷變形能力及良好的可焊接性，其性能呈現較低的方向性，有“合金化純鈦”之稱。主要應用為采用冷成形的方法加工成鈑金結構件［1－2］。

在太陽翼及天線展開機構中使用的板彈簧就是用Ti－15－3材料制作。在地面及發(fā)射階段，板彈簧承受一定的拉應力被拉直展開，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧依靠彈性恢復形狀，來實現機構的解鎖，其功能直接影響機構的展開和衛(wèi)星功能的實現。在某型號板彈簧進行振動試驗時，發(fā)生了斷裂的情況，據此，對板彈簧部分技術指標進行了量化，具體情況是:a．板彈簧在額定拉力下拉伸后能夠恢復原有形狀；b．板彈簧破壞性拉伸屈服強度大于690 MPa，拉伸強度大于850 MPa；c．延伸率為3.8% ～9．4%。

技術指標中的b項和c項均為新增加內容。針對修正后的板彈簧技術指標，開展板彈簧時效處理工藝研究，通過3種工藝參數真空時效處理后力學性能試驗對比，最終優(yōu)選出最佳的工藝參數。

2 工藝試驗

2.1 試驗件及材料

試驗是針對衛(wèi)星用板彈簧時效處理工藝，試驗件按衛(wèi)星用板彈簧圖樣生產，以驗證采用的工藝參數的合理性。安裝到太陽翼上后，板彈簧承受一定的拉應力被拉直展開，在衛(wèi)星發(fā)射階段承受振動、沖擊，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧必須依靠彈性恢復形狀來實現機構的解鎖，因此要求板彈簧有較高的抗拉強度、具備一定的塑性及抗變形能力。板彈簧試驗件如圖1所示。

加工板彈簧的Ti－15－3合金材料是一種亞穩(wěn)態(tài)的β型合金，名義成分為Ti－15V－3Cr－3Sn－3AL，化學成分見表1所列。

圖1 板彈簧

表1 Ti－15－3鈦合金板材的化學成分

Ti－15－3材料軋制成型，經真空固溶處理(溫度800℃ ±5℃；保溫10～15 min；真空度小于2.6×10－3Pa)，塑性會大大提高，具備優(yōu)良的冷成形性能，可以在室溫進行冷加工成形。Ti－15－3鈦合金固溶態(tài)主要是α'、α″、ω及過冷β相，在熱力學上是不穩(wěn)定的，加熱時會發(fā)生分解，分解過程比較復雜，不同的亞穩(wěn)相的分解過程不同，同一亞穩(wěn)相因合金和時效規(guī)范的不同分解過程也有所不同，最終產物均為平衡組織(α +β)。

在時效分解過程的一定階段，可以獲得彌散的(α+β)相，使合金產生彌散強化，這就是Ti－15－3鈦合金時效強化的基本原理。試驗材料為固溶處理、冷成形后，經過時效處理的Ti－15－3材料。

2.2 工藝處理方案

Ti－15－3合金屬于亞穩(wěn)β型鈦合金，在時效過程中從基體β相中析出第二相α起彌散強化作用。雖然在形成α相的過程中可能會有脆性相ω的出現，但一般經高溫(高于400℃)長時間時效，可避免脆性過渡相的殘存，因此，在我們做的試驗中所采用的時效溫度都高于這個溫度。

Ti－15－3鈦合金的時效強化隨著加熱、冷卻條件和時效溫度和保溫時間的差異會出現各種相變，得到不同的材料結構，在3種不同的工藝條件下進行了板彈簧時效處理，方案如表2所列:

表2 Ti－15－3合金真空時效處理工藝方案

2.3 拉伸試驗

在微機控制電子萬能試驗機上對采用3種時效處理參數進行真空時效處理后的板彈簧試驗件進行拉伸破壞試驗，拉伸速率2 mm/s，測試試驗件的抗拉強度、屈服強度，拉斷后測試材料延伸率，并對材料結構進行分析，最終根據相關要求確定出最佳的工藝參數。板彈簧拉伸試驗示意圖如圖2所示。

圖2 板彈簧拉伸試驗夾具

3 試驗結果及分析

3.1 方案一

3.1.1 試驗結果

針對方案一進行了多個批次8件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表3所列。

表3 方案一拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構見圖3所示。

圖3 方案一時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

3.1.2 數據分析

以方案一時效處理后的板彈簧，部分試驗件拉伸試驗中沒有明顯的屈服點，拉伸過程中基本沒有塑性變形過程，呈現脆性斷裂。斷裂位置均為90°彎角處如圖4所示，說明材料在未達到抗拉強度極限時就發(fā)生脆斷。

圖4 方案一板彈簧拉伸試驗斷裂位置

3.1.3 機理分析

以方案一時效處理后，由于時效處理溫度相對較低，析出的α強化相尺寸較小。細小α相的沿晶析出使晶界的斷面上出現沿晶韌窩［3］，使材料具有較高的強度和較弱的塑性變形能力。而板彈簧在時效處理前進行了90°直角折彎等冷作加工，由于折彎部位材料產生滑移導致α相的析出在折彎部位較材料其它部分集中，造成這種脆性斷裂的原因是析出相的出現使拉伸變形過程中位錯運動受阻且運動距離變短，位錯在析出相周圍的塞積所引起的應力集中，使微裂紋易于在這些地方產生，并且在拉伸過程中裂紋迅速擴展，造成板彈簧在未達到材料極限強度時，在90°彎角處脆性斷裂。

3.2 方案二

3.2.1 試驗結果

針對方案二，共進行了多個批次10件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表4所列。

表4 方案二拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構如圖5所示。

3.2.2 數據分析

以方案二時效處理后的板彈簧，拉伸試驗中呈現出較好的力學性能，板彈簧由使用區(qū)域斷裂(見圖7)，試驗數據體現了材料力學性能。但是從試驗數據的一致性及針對試驗要求方面來看，此方案時效處理后的板彈簧力學性能試驗數據離散性相對較大。

3.2.3 機理分析

圖5 方案二時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

理論上講，隨著時效處理溫度的提高，析出的強化項(α相)尺寸不斷增大，數量不斷減少，可以有效降低材料的抗拉強度和屈服強度，而延伸率得以提高；在同一溫度時效時，可以認為形核質點的數目是一樣的，隨著時效時間的延長，這些形核質點不斷長大，相互之間的距離不斷縮小，其結果是析出相對位錯運動的阻礙作用增強，使得材料的抗拉強度和屈服強度提高，而延伸率下降。相比較而言，時效溫度對Ti－15－3材料析出相的長大趨勢和力學性能的影響比時效時間的影響大得多［4］。

以方案二時效處理后，由于提高了時效處理溫度，使得析出的α相尺寸明顯增大，材料延伸性能得到改善，呈現較好的力學綜合性能。

3.3 方案三

3.3.1 試驗結果

針對方案三進行了多個批次10件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表5所列。

表5 方案三拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構見圖6所示。

3.3.2 數據分析

以方案三時效處理后的板彈簧，拉伸時均由板彈簧使用區(qū)域斷裂(見圖7)，試驗數據體現了材料力學性能，且各項試驗數據的一致性明顯優(yōu)于方案一和方案二，呈現出較強的強韌性綜合力學性能。

圖6 方案三時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

3.3．3 機理分析

以方案三雙級時效處理后，第一級時效處理溫度較低，時間較短，材料內部析出了數量較多的細小α相，此時材料強度高但是延伸性能差，通過第二級時效處理，在較高的溫度下保溫，使得析出的α相不斷增大，材料塑性得到大幅度改善，同時通過長時間雙級時效處理，避免脆性過渡相(ω相)的殘存，使得材料組織獲得穩(wěn)定的α+β相，得到較強的綜合力學性能。

圖7 方案二及方案三板彈簧拉伸試驗斷裂位置

4 結論

通過不同參數時效處理后板彈簧的力學性能試驗優(yōu)化出了板彈簧最佳時效處理參數。通過測試的數據、曲線以及試驗結果的比較與分析，結合圖8中3種方案數據各項數據區(qū)間比對結果可以得出以下結論:

圖8 3種方案各項試驗數據區(qū)間對比

a．以方案一時效處理的板彈簧試驗數據離散性很大，由于材料強度過高但塑性很差，試驗件拉伸時試驗數據沒有體現出材料本身的性能就已經發(fā)生脆斷，而且材料對自身的缺陷和加工缺陷比較敏感，耐疲勞能力較弱，存在延遲斷裂的危險(在遠低于自身強度的拉應力長期作用下，突然發(fā)生斷裂)，因此可靠性和安全性不高；

b．以方案二及方案三時效處理，均可以生產出滿足使用要求的板彈簧，但是方案三的試驗數據離散性明顯小于方案一和方案二，從產品成品率及可靠性考慮，結合試驗數據的一致性要求，最終確定方案三作為板彈簧的時效處理工藝方案。

［1］沙愛學，王慶如，李興無．航空用高強度結構鈦合金的研究及應用［J］．稀有金屬，2004，28(1):239－242．

［2］王慶如，張慶玲．戴美云，等．Ti－15－3 鈦合金的應用研究［J］．材料工程，1996，(12):16 －19．

［3］李紅英．金屬拉伸試樣的斷口分析［J］．稀有金屬與硬質合金，2011，27(1):76－79．

［4］紀仁峰，閡新華，胡弘劍，等．熱處理工藝對Ti－15－3合金熱軋棒材顯微組織與力學性能的影響［J］．稀有金屬與硬質合金，2010，38(2):49