郝 宏，茍世寧，趙云平，曹 鵬，曹 珍

(蘭州空間技術(shù)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(guó)空軍的資助下研制和開(kāi)發(fā)的一種新型的亞穩(wěn)β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的冷變形能力及良好的可焊接性，其性能呈現(xiàn)較低的方向性，有“合金化純鈦”之稱(chēng)。主要應(yīng)用為采用冷成形的方法加工成鈑金結(jié)構(gòu)件［1－2］。

在太陽(yáng)翼及天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)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(yīng)力被拉直展開(kāi)，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧依靠彈性恢復(fù)形狀，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的解鎖，其功能直接影響機(jī)構(gòu)的展開(kāi)和衛(wèi)星功能的實(shí)現(xiàn)。在某型號(hào)板彈簧進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生了斷裂的情況，據(jù)此，對(duì)板彈簧部分技術(shù)指標(biāo)進(jìn)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(fù)原有形狀；b．板彈簧破壞性拉伸屈服強(qiáng)度大于690 MPa，拉伸強(qiáng)度大于850 MPa；c．延伸率為3.8% ～9．4%。

技術(shù)指標(biāo)中的b項(xiàng)和c項(xiàng)均為新增加內(nèi)容。針對(duì)修正后的板彈簧技術(shù)指標(biāo)，開(kāi)展板彈簧時(shí)效處理工藝研究，通過(guò)3種工藝參數(shù)真空時(shí)效處理后力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)比，最終優(yōu)選出最佳的工藝參數(shù)。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件及材料

試驗(yàn)是針對(duì)衛(wèi)星用板彈簧時(shí)效處理工藝，試驗(yàn)件按衛(wèi)星用板彈簧圖樣生產(chǎn)，以驗(yàn)證采用的工藝參數(shù)的合理性。安裝到太陽(yáng)翼上后，板彈簧承受一定的拉應(yīng)力被拉直展開(kāi)，在衛(wèi)星發(fā)射階段承受振動(dòng)、沖擊，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧必須依靠彈性恢復(fù)形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的解鎖，因此要求板彈簧有較高的抗拉強(qiáng)度、具備一定的塑性及抗變形能力。板彈簧試驗(yàn)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T(mén)i－15V－3Cr－3Sn－3AL，化學(xué)成分見(jiàn)表1所列。

圖1 板彈簧

表1 Ti－15－3鈦合金板材的化學(xué)成分

Ti－15－3材料軋制成型，經(jīng)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(huì)大大提高，具備優(yōu)良的冷成形性能，可以在室溫進(jìn)行冷加工成形。Ti－15－3鈦合金固溶態(tài)主要是α'、α″、ω及過(guò)冷β相，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，加熱時(shí)會(huì)發(fā)生分解，分解過(guò)程比較復(fù)雜，不同的亞穩(wěn)相的分解過(guò)程不同，同一亞穩(wěn)相因合金和時(shí)效規(guī)范的不同分解過(guò)程也有所不同，最終產(chǎn)物均為平衡組織(α +β)。

在時(shí)效分解過(guò)程的一定階段，可以獲得彌散的(α+β)相，使合金產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，這就是Ti－15－3鈦合金時(shí)效強(qiáng)化的基本原理。試驗(yàn)材料為固溶處理、冷成形后，經(jīng)過(guò)時(shí)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(shí)效過(guò)程中從基體β相中析出第二相α起彌散強(qiáng)化作用。雖然在形成α相的過(guò)程中可能會(huì)有脆性相ω的出現(xiàn)，但一般經(jīng)高溫(高于400℃)長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效，可避免脆性過(guò)渡相的殘存，因此，在我們做的試驗(yàn)中所采用的時(shí)效溫度都高于這個(gè)溫度。

Ti－15－3鈦合金的時(shí)效強(qiáng)化隨著加熱、冷卻條件和時(shí)效溫度和保溫時(shí)間的差異會(huì)出現(xiàn)各種相變，得到不同的材料結(jié)構(gòu)，在3種不同的工藝條件下進(jìn)行了板彈簧時(shí)效處理，方案如表2所列:

表2 Ti－15－3合金真空時(shí)效處理工藝方案

2.3 拉伸試驗(yàn)

在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)采用3種時(shí)效處理參數(shù)進(jìn)行真空時(shí)效處理后的板彈簧試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，拉伸速率2 mm/s，測(cè)試試驗(yàn)件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，拉斷后測(cè)試材料延伸率，并對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最終根據(jù)相關(guān)要求確定出最佳的工藝參數(shù)。板彈簧拉伸試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 板彈簧拉伸試驗(yàn)夾具

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 方案一

3.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)方案一進(jìn)行了多個(gè)批次8件板彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 方案一拉伸試驗(yàn)結(jié)果

板彈簧拉伸試驗(yàn)曲線和晶相結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。

圖3 方案一時(shí)效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結(jié)構(gòu)

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

以方案一時(shí)效處理后的板彈簧，部分試驗(yàn)件拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，拉伸過(guò)程中基本沒(méi)有塑性變形過(guò)程，呈現(xiàn)脆性斷裂。斷裂位置均為90°彎角處如圖4所示，說(shuō)明材料在未達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限時(shí)就發(fā)生脆斷。

圖4 方案一板彈簧拉伸試驗(yàn)斷裂位置

3.1.3 機(jī)理分析

以方案一時(shí)效處理后，由于時(shí)效處理溫度相對(duì)較低，析出的α強(qiáng)化相尺寸較小。細(xì)小α相的沿晶析出使晶界的斷面上出現(xiàn)沿晶韌窩［3］，使材料具有較高的強(qiáng)度和較弱的塑性變形能力。而板彈簧在時(shí)效處理前進(jìn)行了90°直角折彎等冷作加工，由于折彎部位材料產(chǎn)生滑移導(dǎo)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(xiàn)使拉伸變形過(guò)程中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻且運(yùn)動(dòng)距離變短，位錯(cuò)在析出相周?chē)娜e所引起的應(yīng)力集中，使微裂紋易于在這些地方產(chǎn)生，并且在拉伸過(guò)程中裂紋迅速擴(kuò)展，造成板彈簧在未達(dá)到材料極限強(qiáng)度時(shí)，在90°彎角處脆性斷裂。

3.2 方案二

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)方案二，共進(jìn)行了多個(gè)批次10件板彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 方案二拉伸試驗(yàn)結(jié)果

板彈簧拉伸試驗(yàn)曲線和晶相結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

以方案二時(shí)效處理后的板彈簧，拉伸試驗(yàn)中呈現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，板彈簧由使用區(qū)域斷裂(見(jiàn)圖7)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了材料力學(xué)性能。但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性及針對(duì)試驗(yàn)要求方面來(lái)看，此方案時(shí)效處理后的板彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性相對(duì)較大。

3.2.3 機(jī)理分析

圖5 方案二時(shí)效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結(jié)構(gòu)

理論上講，隨著時(shí)效處理溫度的提高，析出的強(qiáng)化項(xiàng)(α相)尺寸不斷增大，數(shù)量不斷減少，可以有效降低材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，而延伸率得以提高；在同一溫度時(shí)效時(shí)，可以認(rèn)為形核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目是一樣的，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，這些形核質(zhì)點(diǎn)不斷長(zhǎng)大，相互之間的距離不斷縮小，其結(jié)果是析出相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng)，使得材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，而延伸率下降。相比較而言，時(shí)效溫度對(duì)Ti－15－3材料析出相的長(zhǎng)大趨勢(shì)和力學(xué)性能的影響比時(shí)效時(shí)間的影響大得多［4］。

以方案二時(shí)效處理后，由于提高了時(shí)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(xiàn)較好的力學(xué)綜合性能。

3.3 方案三

3.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)方案三進(jìn)行了多個(gè)批次10件板彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 方案三拉伸試驗(yàn)結(jié)果

板彈簧拉伸試驗(yàn)曲線和晶相結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

以方案三時(shí)效處理后的板彈簧，拉伸時(shí)均由板彈簧使用區(qū)域斷裂(見(jiàn)圖7)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)體現(xiàn)了材料力學(xué)性能，且各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性明顯優(yōu)于方案一和方案二，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的強(qiáng)韌性綜合力學(xué)性能。

圖6 方案三時(shí)效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結(jié)構(gòu)

3.3．3 機(jī)理分析

以方案三雙級(jí)時(shí)效處理后，第一級(jí)時(shí)效處理溫度較低，時(shí)間較短，材料內(nèi)部析出了數(shù)量較多的細(xì)小α相，此時(shí)材料強(qiáng)度高但是延伸性能差，通過(guò)第二級(jí)時(shí)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(shí)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間雙級(jí)時(shí)效處理，避免脆性過(guò)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(qiáng)的綜合力學(xué)性能。

圖7 方案二及方案三板彈簧拉伸試驗(yàn)斷裂位置

4 結(jié)論

通過(guò)不同參數(shù)時(shí)效處理后板彈簧的力學(xué)性能試驗(yàn)優(yōu)化出了板彈簧最佳時(shí)效處理參數(shù)。通過(guò)測(cè)試的數(shù)據(jù)、曲線以及試驗(yàn)結(jié)果的比較與分析，結(jié)合圖8中3種方案數(shù)據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)區(qū)間比對(duì)結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

圖8 3種方案各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)間對(duì)比

a．以方案一時(shí)效處理的板彈簧試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性很大，由于材料強(qiáng)度過(guò)高但塑性很差，試驗(yàn)件拉伸時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有體現(xiàn)出材料本身的性能就已經(jīng)發(fā)生脆斷，而且材料對(duì)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(xiǎn)(在遠(yuǎn)低于自身強(qiáng)度的拉應(yīng)力長(zhǎng)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(shí)效處理，均可以生產(chǎn)出滿(mǎn)足使用要求的板彈簧，但是方案三的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性明顯小于方案一和方案二，從產(chǎn)品成品率及可靠性考慮，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性要求，最終確定方案三作為板彈簧的時(shí)效處理工藝方案。

［1］沙愛(ài)學(xué)，王慶如，李興無(wú)．航空用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金的研究及應(yīng)用［J］．稀有金屬，2004，28(1):239－242．

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

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