Ti 6Al4V钛合金薄壁件热校形试验研究*

徐建军， 王 伟， 杨吟飞， 史春玲， 陶 杰

(1.南京航空航天大学 a.机电学院；b.材料科学与技术学院，南京 210016；2.中航飞机股份有限公司 西安飞机分公司，西安 710089)



Ti 6Al4V钛合金薄壁件热校形试验研究*

徐建军1a， 王 伟1b， 杨吟飞1a， 史春玲2， 陶 杰1b

(1.南京航空航天大学 a.机电学院；b.材料科学与技术学院，南京 210016；2.中航飞机股份有限公司 西安飞机分公司，西安 710089)

为了探讨热校形过程中各种因素对热校形效果的影响，文章设计了薄壁件热校形工装，通过单因素热校形试验，研究了最高退火温度的变化，升降温速率的快慢以及保温时间的长短对Ti6Al4V薄壁件热校形效果的影响，掌握了热校形效果随着不同热处理工艺参数变化规律。结果表明，当退火温度从550℃逐步升高到650℃时，热校形效果提高了35.2%，保温时间由1h延长到3h时，热校形效果提高了29.6%，升温速率的降低会提高热校形效果，冷却速率的改变对热校形效果的影响不大。文章热校形试验结果规律的把握以及最终的理热处理工艺参数的确定，为航空航天整体薄壁件实际热校形试验提供了重大参考借鉴和指导作用。

钛合金；薄壁件；热处理；热校形

0 引言

钛与钛合金薄壁件由于具有比强度高、耐腐蚀、高低温性能优良等特点，在航空、航天、医疗等行业应用越来越广泛[1-3]。由于常温下钛合金的屈服强度与弹模量比值很大，钛合金薄壁件在机械加工后由于残余应力的存在，使得回弹现象严重，文献[4-6]在测量钛合金零件加工引起的残余应力以及预测由其产生的零件的变形方面都做出了较为系统的研究，不过其并未提出一个有效的解决变形问题的方案，最终使得常温下成形的薄壁件很难达到精度要求，因此常常需要增加校正工艺来减少机械加工后产生的尺寸超差或形状畸变。对于变形量较小的薄壁件也可在校正过程后直接校形。目前，常用的校形方法有人工校形，时效校形，火焰校形和激光校形等[7-10]，这几种校形方法在很大程度上均依赖于操作人员的工作经验，并没有形成详细统一的校形工艺，操作人员操作水平的高低对校形效果的影响较大。南京航空航天大学周兆锋等人开发了高频感应加热热应力校形工艺，利用高频感应加热来代替火焰加热或籍贯加热对板料进行热校形，这种热校形工艺校形时间长、成本投入大。国外约有80%的钛合金薄壁件采用了热处理校形工艺[11-12]，这种热处理校形工艺参数具有极高的保密性，国内对钛合金薄壁件热处理校形工艺参数的确定没有形成成熟的规定。本文研究影响钛合金薄壁件热校形的不同因素[13]，对于正确掌握热校形规律，根据实际情况合理选择热处理工艺参数具有重大指导意义。

本文采用退火热校形工艺，设计Ti6Al4V钛合金薄壁件退火夹具，设计单因素试验，研究退火温度，升降温速率和保温时间对Ti6Al4V钛合金薄壁件热校形效果的影响。同时，将热校形后钛合金薄壁件变形与热校形前初始变形进行对比分析，探讨Ti6Al4V薄壁件热校形规律，确定了合理的热校形工艺参数，填补了国内对退火热校形规律把握的不足，为航空航天整体结构薄壁件确定实际热校形工艺参数提供实际参考和指导作用。

1 试验设备及方案

钛合金退火工艺采用去应力退火方式，试样尺寸为120mm×25mm×1mm的薄板试样，试样采用线切割方法获取试样以避免形成新的内应力[14]，最终得到的试样如图1所示。根据标准《钛及钛合金的热处理》[15]制定，标准规定Ti6Al4V钛合金去应力退火温度为480℃～650℃之间，保温时间为1h～6h，在空气或者惰性气体中冷却或者随炉冷却。本文退火温度范围为550℃～650℃，保温时间为1h～3h，冷却速率为1℃/min～15℃/min，升温速率为2℃/min～20℃/min。为了降低钛合金表层氧化而影响变形测试，退火热处理均在真空炉中进行。通过对试样同一位置热处理前后的变形测量，确定热校形的大小，从而把握不同热处理工艺参数的影响规律。

图1 被测Ti6Al4V试样

1.1 试验设备

(1)真空炉：热处理试验在WZDJQ-20型单室真空气淬炉中进行，其具有加压(绝对压力0.2MPa)气冷功能的真空热处理设备，适用于高速钢、高合金工模具钢、不锈钢等材料的真空气冷淬火、退火及磁性材料的烧结及快速冷却等[16]。

(2)测量系统：设计搭建了Ti6Al4V钛合金薄壁件变形测量平台示意图如图1所示，采用基恩士激光位移传感器LK-G30进行试验变形测量。通过测得试样变形前后的挠度的变化可以得到其变形量[3]。试样变形测量示意图如图2所示。

图2 利用激光位移传感器测量试样变形的平台

(3)工装结构：试样尺寸为120mm×25mm×1mm 的Ti6Al4V钛合金薄壁件。设计工装结构如图3所示。上下夹具之间采用螺栓连接。夹具内表面为半径2800mm的圆弧面，夹具材料为1Cr18Ni9不锈钢。夹具松开，将试样放入夹具中，如图3a所示，后通过夹具两头的螺栓将夹具加紧，使得其中的试样按照夹具的圆弧面进行弯曲，如图3b所示。

(a)工件放入夹具中

(b)夹具加紧工件后

1.2 试验方案

在图3所示的工装结构的基础上，研究工艺参数对Ti6Al4V钛合金薄壁件退火变形校正的影响，对比研究不同退火温度、保温时间、升温速率以及冷却速率对Ti6Al4V钛合金薄壁件退火变形校正的影响规律，掌握工艺参数对退火变形校正的影响规律。

为了研究退火温度对热处理变形校正的影响，薄板分别在不同的温度下进行退火处理，升温速率为20℃/min，保温时间为1h，随炉冷却。

同时为了探讨升温速率、保温时间以及冷却方式对热处理变形校正的影响，分别进行四组热处理变形校正试验，设定对照A热处理工艺为退火温度为650℃，升温速率为20℃/min，保温时间为1h，随炉冷却，其结果作为参考。试验组B为研究升温速率的影响，升温速率为20℃/min加热到300℃，随后以2℃/min加热到650℃，其它工艺参数和A组一致；试验组C为研究保温时间对热处理变形校正的影响，保温时间为3h，其它工艺参数与A组一致；试验组D以1℃/min的冷却速率冷却到300℃，随后随炉冷却，其它工艺参数与A组一致。其对应表格如表1所示。

表1 热校形试验对照组

2 试验结果分析

利用图3所示的工装结构对试样进行装夹，在真空率中进行退火处理试验，分别取退火温度为550℃、580℃、600℃、620℃和650℃，随后进行随炉冷却。并在图1所示测量平台上测量试样退火处理后的挠度，并与其初始挠度进行对比，最终获得不同退火温度下的试样挠度的变化曲线，如图4所示。

图4 不同温度下热校形效果图

从图5中可以看出，随着退火温度的升高，热处理后试样变形总体呈现增大的趋势。为进一步对比分析退火温度对热校形效果的影响，分别针对不同退火温度下热校形的试样，对其初始挠度值与退火后挠度值求取平均值，最终得到热校形平均变形量如图6所示。

图5 Ti6Al4V薄壁件在不同温度下热校形效果对比图

图5表明，当温度由550℃升高到580℃的过程中，试样经退火校正后的变形量相对较小，这主要归结于退火温度并未达到Ti6Al4V钛合金的蠕变激活能所需要的温度，其蠕变变形量偏小，由于不同温度下试样的初始变形不同，最终热校形变形校正量反而减少。在580℃到600℃之间，试样经退火校正后变形量变化较为明显，呈现快速增大的趋势，此时最终热校形校正量具有相应的快速增大趋势，这主要归结于退火温度达到了Ti6Al4V钛合金的蠕变激活能所需的温度，在退火过程中试样呈现较大的蠕变变形。在600℃到650℃的过程中，试样经退火校正后变形量增长趋势逐渐变缓，试样最终热校形校正量变化也呈现逐渐放缓的趋势，这主要归结于当试样已经产生较大的蠕变变形的时，试样内部的应力已呈现逐渐减小的趋势，最终使得变形量呈逐渐减小的趋势。总体而言，随着退火温度的升高，试样经退火校正后变形量增加，增长速率随着温度的升高呈现先增加后减少的趋势。

另外，在Ti6Al4V薄壁件热处理过程中，其不仅受到温度的影响使其产生明显热膨胀[17, 18]，而且还受到校正夹具的约束作用。随着退火温度的升高，Ti6Al4V薄壁件在热处理过程中，其热膨胀作用更加明显，校正夹具的约束作用增强，所受约束力增大，因而最终校正效果更好。

根据1.2节所述实验方案研究升温速率、保温时间以及冷却方式对热校形效果的影响，最终结果如图6所示。

图6 Ti6Al4V薄壁件在不同工艺参数下热校形效果对比图

结果表明，当升温速率由20℃/min降低到2℃/min时，试样经退火校正后变形增加，即校正效果增加，这主要由于升温速率的缓慢，使得其加热时间增加，这里升温速率降低为原先的十分之一，加热时间也增加到原先升温时间的10倍，在升温期间，试样就已经发生一定的变形，从而使得最终的热校形效果更好；当保温时间从1h改变到3h时，试样经退火校正后变形增加效果明显，这主要由于保温时间越长，使得试样有充裕的时间发生较大的蠕变变形，最终使得其校正效果在本实验中呈现最优。同时实验表明，冷却速率的改变对热校形效果的影响较小，这主要归结于，当试样发生较大的蠕变变形后，在冷却阶段，试样内部的应力已经很小，尽管其冷却速率的降低使得试样在较高温度下的时间增加，但是其内部的应力已经不足以使得试样再次发生较为明显的蠕变变形，同时，当温度低于某一值时，由于未达到材料蠕变激活能所需要的温度，其即使保温再长的时间也不会发生很明显的蠕变变化，因此最终表现为冷却速率对结果的影响较弱。

3 结论

本文通过设计薄壁件热校形夹具，通过单因素试验，分析退火温度，升温速率，保温时间以及冷却速率对Ti6Al4V钛合金薄壁件热校形效果的影响规律，最终可以得到结论如下：

(1) 退火温度，升温速率以及保温时间对Ti6Al4V钛合金薄壁件的热校形均有较大的影响，热校形变形量随着退火温度的升高，升温速率的降低以及保温时间的延长而呈现增加的趋势，唯独冷却速率对热校形变形量的影响较小；(2) 当退火温度从550℃增加到600℃时，热校形的变形量的增加速率较大，当温度进一步升高到650℃时，热校形的变形量的增加逐渐缓慢，根据文章实验的结果，在650℃的退火温度下，Ti6Al4V试样的热校形效果的还是呈现了较为明显的优势；

(3) 利用试验所得出的结论对合理选择薄壁件热校形工艺参数给出了优化建议：为得到较大的热校形效果，热处理过程中可以选取650℃作为退火温度，适当选取较低的升温速率，并且应合理增加退火保温时间,使得其在热校形效果和加工效率上都能得到充分保证。

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(编辑 李秀敏)

Experimental Study on Hot Sizing of Ti6Al4V Alloy Thin-walled Part

XU Jian-jun1a,WANG Wei1b, YANG Yin-fei1a, SHI Chun-ling2, TAO Jie1b

(1a. College of Mechanical and Electrical Engineering；b. College of Material Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. AVIC Xi’an Aircraft Industry(Group) Company Ltd., Xi’an 710089,China)

In order to find out the effects of different factors to the results of hot sizing, the modularized tooling was designed and the hot sizing experiments were carried out in this paper. The effects of annealing treating parameters, such as temperature, heating rate, holding time and the cooling rate, were investigated in the experiments. The relationship between the hot sizing results and the hot sizing parameters were obtained at last. The results have shown that as the temperature increases from 550℃ to 650℃ and the holding time increases from 1h to 3h, the effects of hot sizing will be increased significantly, as the heating rate decreases, the effects of hot sizing will be increased. The effect of cooling rate the hot sizing is weak. The availability of designing tooling has been validated by the experiments, which is expected to be applied to the treatment of thin-walled parts used in national aeronautics and astronautics.

titanium alloy; thin-wall part； annealing; hot sizing

1001-2265(2016)10-0001-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.001

2015-11-12；

2015-12-10

国家自然科学基金(51405226) ; 江苏省自然科学基金(SBK2014043631)

徐建军(1990—)，男，江苏泰兴人，南京航空航天大学硕士研究生，研究方向为先进制造技术，(E-mail)xujianjun9011@163.com。

TH140.7;TG156

A