歐陽瑞潔, 苗春昊, 張 海, 楊文博, 董翔宇

(蘭州空間技術(shù)物理研究所, 甘肅 蘭州 730000)

金屬隔膜貯箱是一種先進(jìn)的、適應(yīng)于空間工作的推進(jìn)劑貯箱,在重力、微重力、高溫環(huán)境下為液體動力系統(tǒng)貯存和管理推進(jìn)劑,可向發(fā)動機提供不含氣體的推進(jìn)劑,廣泛應(yīng)用于空間飛行器及導(dǎo)彈系統(tǒng)控制領(lǐng)域,具有推進(jìn)劑晃動小、排流量大、可靠性高、在側(cè)向過載條件下能可靠排放和工況突變適應(yīng)能力強等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于經(jīng)常變軌、姿態(tài)調(diào)整頻繁、機動性強的航天器中[1-3]。金屬隔膜貯箱的管理裝置是貯箱的關(guān)鍵部件,金屬隔膜貯箱工作時,增壓氣體擠壓金屬隔膜,將推進(jìn)劑擠入輸送管路,實現(xiàn)推進(jìn)劑的供應(yīng),貯箱推進(jìn)劑排放期間金屬隔膜要經(jīng)歷從上半球翻轉(zhuǎn)到下半球的彈塑性大變形,排放性能受金屬隔膜材料性能、外形尺寸、隔膜厚度及連接邊界等諸多因素的影響,因此貯箱的關(guān)鍵技術(shù)是金屬隔膜設(shè)計及其材料特性[4]。工業(yè)純鈦隔膜密度小、比強度、比剛度較大,翻轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定可控,不易產(chǎn)生褶皺,同時具有易焊接、耐腐蝕性強、耐高溫等優(yōu)異性能,已廣泛應(yīng)用于金屬隔膜的加工制造[5-7]。

金屬隔膜的力學(xué)性能對隔膜的翻轉(zhuǎn)壓差、翻轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性具有重要作用,為實現(xiàn)穩(wěn)定翻轉(zhuǎn),對其原材料的抗拉強度和規(guī)定非比例延伸強度提出了較高的要求。現(xiàn)有的工業(yè)純鈦原材料雖已可滿足大多數(shù)金屬隔膜的使用要求[8],但對于某些結(jié)構(gòu)特殊的金屬隔膜,對原材料綜合力學(xué)性能要求較高,原材料本身難以達(dá)到使用需求,需通過加工過程中的熱處理方式進(jìn)一步提升材料性能。此外,目前采用的金屬隔膜制造工藝大多采用沖壓成形與機械加工結(jié)合的方法,隔膜組件經(jīng)焊接而成,生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力及加工應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力集中,為金屬隔膜穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)帶來不利影響。為去除應(yīng)力,通常在沖壓成形及焊接后,采取去應(yīng)力退火熱處理。去應(yīng)力退火可消除加工硬化現(xiàn)象,有效改善局部應(yīng)力集中,但同時會降低材料斷后伸長率,若要進(jìn)一步提升材料綜合性能,得到抗拉強度和斷后伸長率均較高的金屬隔膜,還需深入研究熱處理工藝,在去除加工應(yīng)力的同時,通過材料組織再結(jié)晶,得到塑性更強、翻轉(zhuǎn)性能更好的金屬隔膜。

本文通過對TA1ELI板材熱處理工藝的研究,探究不同熱處理溫度對該原材料力學(xué)性能的影響趨勢,為有效提高金屬隔膜力學(xué)性能的熱處理工藝提供理論依據(jù),同時,將優(yōu)化后的熱處理工藝應(yīng)用于實際產(chǎn)品,得到了性能完全滿足使用需求的金屬隔膜。

1 試驗材料及方法

試驗所用原材料為TA1ELI工業(yè)純鈦板,其規(guī)格(長×寬×高)為720 mm×720 mm×20 mm,其化學(xué)成分如表1所示。試驗鈦板共10張,按表2所示的溫度進(jìn)行真空熱處理工藝試驗,保溫時間均為2 h,冷卻方式為隨爐冷卻。試件熱處理后加工為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試,拉伸試件尺寸及試驗方法按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》執(zhí)行,試件示意圖見圖1。對采用不同溫度進(jìn)行熱處理后的鈦板力學(xué)性能進(jìn)行分析,得出可滿足要求的最優(yōu)熱處理工藝。

圖1 原材料拉伸試樣簡圖Fig.1 Schematic diagram of the raw material tensile specimen

表1 TA1ELI鈦板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the TA1ELI titanium plate (mass fraction, %)

表2 真空熱處理試驗溫度Table 2 Temperature of vacuum heat treatment test

采用試驗確定的最優(yōu)熱處理參數(shù)對加工完成的金屬隔膜零件進(jìn)行熱處理,從零件上取樣進(jìn)行實際加工后的力學(xué)性能分析,驗證實際力學(xué)性能是否滿足表3的要求,隔膜拉伸試樣示意圖見圖2。

圖2 金屬隔膜拉伸試樣簡圖Fig.2 Schematic diagram of the metal diaphragm tensile specimen

表3 金屬隔膜力學(xué)性能指標(biāo)Table 3 Mechanical properties of metal diaphragm

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熱處理溫度下鈦板的力學(xué)性能

從編號為1～10的每張鈦板上分別取4個拉伸試樣,其中3個分別在610、660和710 ℃下進(jìn)行真空熱處理,另一個不做處理,試樣室溫力學(xué)性能各項指標(biāo)如圖3所示。從試驗結(jié)果可以看出,試驗鈦板原始狀態(tài)的抗拉強度在301～311 MPa之間,規(guī)定非比例延伸強度在170～196 MPa之間,斷后伸長率在52%～62.6%之間,部分指標(biāo)無法滿足金屬隔膜的力學(xué)性能要求。對比610、660、710 ℃ 3種熱處理溫度下材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn),與原始態(tài)相比,經(jīng)真空熱處理后材料的抗拉強度、規(guī)定非比例延伸強度均有所下降,斷后伸長率則有不同程度的提升,采用710 ℃進(jìn)行真空熱處理時,所有試樣的斷后伸長率均達(dá)到60%以上,因此可以認(rèn)為對原材料進(jìn)行710 ℃真空熱處理可有效提升鈦板的斷后伸長率。

圖3 不同熱處理溫度下試驗鈦板的力學(xué)性能(a)抗拉強度;(b)規(guī)定非比例延伸強度;(c)斷后伸長率;(d)斷面收縮率Fig.3 Mechanical properties of the tested titanium plates at different heat treatment temperatures(a) tensile strength; (b) proof strength at 0.2% non-proportional extension; (c) elongation; (d) percentage reduction of area

2.2 熱處理溫度對力學(xué)性能的影響

通過試驗結(jié)果可以看出,對TA1ELI純鈦板進(jìn)行610～710 ℃的熱處理后,鈦板的力學(xué)性能變化趨勢基本一致,其中抗拉強度和規(guī)定非比例延伸強度有所下降,斷后伸長率有所提升,斷面收縮率則變化不明顯。為進(jìn)一步探究不同的熱處理溫度對力學(xué)性能的影響規(guī)律,對各組力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)的平均值及其與原始態(tài)相比的變化幅度進(jìn)行了統(tǒng)計,結(jié)果如表4所示。

表4 不同熱處理溫度下試驗鈦板力學(xué)性能平均值統(tǒng)計Table 4 Average statistics of mechanical properties of the tested titanium plates heat treated at different temperatures

由表4可以看出,采用600 ℃以上的溫度進(jìn)行熱處理,原材料抗拉強度和規(guī)定非比例延伸強度下降的幅度差距均不大,在710 ℃熱處理后規(guī)定非比例延伸強度下降略低,斷面收縮率變化幅度最小,斷后伸長率則會隨著熱處理溫度的升高而提升,金屬隔膜的翻轉(zhuǎn)性能也會越好。

經(jīng)分析,當(dāng)TA1ELI純鈦板退火溫度在590 ℃以上時,內(nèi)部會出現(xiàn)明顯的等軸晶,隨溫度升高,晶粒繼續(xù)長大,等軸晶會不斷增多,在670 ℃以下時,晶粒長大相對緩慢,當(dāng)退火溫度升高到670 ℃以上時,晶粒基本等軸化,長大速度加快,此時組織已完全再結(jié)晶,在700 ℃以上時,晶粒形態(tài)不再發(fā)生明顯變化,僅晶粒尺寸增加,在730 ℃以上時,晶粒尺寸迅速長大粗化[9-10]。因此,TA1ELI純鈦板進(jìn)行再結(jié)晶退火后,不僅消除了加工硬化現(xiàn)象,使得TA1ELI純鈦板抗拉強度及規(guī)定非比例延伸強度略有下降,達(dá)到了去應(yīng)力效果,同時,在加熱保溫過程中,隨溫度升高,金屬變形時產(chǎn)生的位錯發(fā)生攀移,逐漸形成大角度晶界,并產(chǎn)生細(xì)小晶核,隨溫度進(jìn)一步升高,位錯、空位、殘余應(yīng)力以及變形不均勻部分消失,晶粒開始逐漸長大并等軸化[11],再結(jié)晶退火能讓鈦原子獲得更多的熱能,使塑性變形后的金屬被拉長,晶粒重新生核、結(jié)晶,變?yōu)榕c變形前晶格結(jié)構(gòu)相同的等軸新晶粒,提高TA1ELI純鈦板材料塑性、延展性和韌性,便于加工成形,避免后期加工過程中出現(xiàn)開裂、破壞等現(xiàn)象。

2.3 金屬隔膜熱處理

經(jīng)上述試驗與分析認(rèn)為,TA1ELI純鈦板軋制后,進(jìn)行600 ℃以上的真空熱處理,可得到抗拉強度和斷后伸長率均較高的力學(xué)性能。由于當(dāng)TA1ELI純鈦板熱處理溫度高于700 ℃時,組織晶粒長大粗化,材料抗拉強度持續(xù)下降,若在鈦板原始態(tài)基礎(chǔ)上強度下降過多,對于抗拉強度和斷后伸長率指標(biāo)要求均較高的金屬隔膜,會因強度不足而無法實現(xiàn)穩(wěn)定翻轉(zhuǎn),因此金屬隔膜焊接后的真空退火熱處理參數(shù),應(yīng)在綜合考慮設(shè)計指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行選取。對金屬隔膜零件710 ℃×2 h真空退火后取樣,拉伸試驗結(jié)果如表5所示,能夠滿足表3提出的指標(biāo)要求。

表5 金屬隔膜力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of the metal diaphragm

選兩件隔膜分別采用610 ℃×2 h和710 ℃×2 h的真空退火工藝進(jìn)行焊后處理,并完成翻轉(zhuǎn)試驗,從試驗結(jié)果可以看出,隔膜均可完全翻轉(zhuǎn),采用710 ℃退火與610 ℃退火相比,隔膜翻轉(zhuǎn)過程更加穩(wěn)定,翻轉(zhuǎn)后的曲面更加光滑(見圖4),翻轉(zhuǎn)性能更好。

圖4 經(jīng)不同工藝焊后熱處理后金屬隔膜翻轉(zhuǎn)后狀態(tài)Fig.4 Appearance of the metal diaphragm after different post weld heat treatment after inversion(a) 610 ℃×2 h; (b) 710 ℃×2 h

3 結(jié)論

1) 與原始態(tài)相比,經(jīng)610、660、710 ℃ 3種溫度真空退火處理后,TA1ELI板材的抗拉強度、規(guī)定非比例延伸強度和斷面收縮率均有所下降,斷后伸長率有所提升。

2) TA1ELI鈦板斷后伸長率會隨著熱處理溫度的升高而提升,采用710 ℃進(jìn)行真空退火處理時,斷后伸長率均可達(dá)到60%以上。

3) 通過熱處理工藝研究,得到不同熱處理制度對材料力學(xué)性能的影響,可根據(jù)產(chǎn)品實際的設(shè)計特性,制定合理的熱處理工藝參數(shù)。對于抗拉強度和斷后伸長率指標(biāo)要求均較高的金屬隔膜,應(yīng)選用710 ℃×2 h的真空退火工藝,以得到力學(xué)性能符合設(shè)計要求的最終產(chǎn)品。