一种改善钛合金焊接构件性能的亚再结晶退火工艺

摘要

本发明涉及一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，焊后热处理退火温度采用亚再结晶退火温度，即为再结晶温度T

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高焊接构件性能匹配度及冲击韧性a_kU和断裂韧性K_IC，并充分消 除构件内部残余应力的新型热处理技术-亚再结晶退火工艺，属于材料科学技术领域， 适用于近α和α-β两相钛合金构件的焊后热处理。

背景技术

目前常用的焊接方法，不论是潜弧焊还是氩弧焊，随着焊接构件厚度的增加，需要 在焊接对接处添加焊料，添加焊料后，由于其与焊接构件材料即母材不同，也即接头处 冶金成分与母材不同，焊接后残余应力很大，为此焊接后常采用去应力退火工艺。添加 焊料的焊接接头宽度宽，过渡区也大，接头冶金如化学成分与母材差异较大，不均质性 明显，焊件无法达到母材性质，承载能力降低，产生应力集中；疲劳强度降低，易引起 焊件破裂导致脆断。此外，其他性能如耐腐蚀性能也变差。后来发展了电子束焊接方法。

电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛 应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。电子束焊在 大厚度零件如大于40mm厚度零件的焊接方面具有突出的优势：焊缝窄、深宽比大、焊 接角变形小、接头晶粒细、接头性能好。电子束焊接可以不加焊料直接焊接，焊缝较窄， 过渡区小，但由于焊接的性质，焊后仍然存在残余应力。到目前为止，国内外对于电子 束焊接的焊后热处理也采用与添加焊料相同的去应力退火工艺。

根据国内外钛合金焊接试验研究和工程应用的经验，不加焊料的焊接接头，如果仍 采用去应力退火，焊接接头的冲击韧度和断裂韧度较低(a_KU一般低于30J/cm²，K_IC低于 )，不能满足设计使用要求。发明人通过研究发现，去应力退火后，从焊接 接头硬度分布、残余应力测量和显微组织分析结果看，现有去应力退火的工艺条件下， 不足以使焊接快速热循环造成的焊缝亚稳态组织(α’、亚稳β)充分分解，焊缝过饱 和的淬火状态没有得到有效缓解，焊缝接头处硬度、强度水平高，接头韧度低，这些缺 点制约了不加焊料的电子束焊接及其他焊接工艺在飞机等重要承力构件上的应用。因此 欲使用该焊接方法，首先要在接头性能提高特别是接头韧性方面取得突破，使接头性能 达到设计使用要求。

针对焊后热处理工艺，申请号201010187483.2公开了一种TC18钛合金焊接零件的 焊后真空热处理工艺，采用固溶时效工艺+阶梯升温来解决接头强度提高和构件变形的 问题，其退火温度在再结晶温度以上，与本发明解决的焊接接头性能匹配及提高接头韧 性目的不同。另外该文献针对的TC18钛合金本质上属于近β钛合金，与本发明针对的 近α和α-β钛合金适用对象不同。

《航空制造技术》，2004年增刊的文章“热处理对TA15钛合金电子束焊接接头力 学性能和微观组织的影响”公开了真空焊后热处理对接头性能的影响，由表3-4可见， 随着热处理退火温度提高，抗拉强度、截面收缩率、延伸率和冲击韧性并没有一致的变 化趋势，而是呈波动状态。因此，该文献研究结果并不能提供提高焊接接头韧性的思路。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钛合金焊接构件的亚再结晶退 火工艺，可以使得构件的焊接残余应力消除更充分，防止变形开裂；进一步地，还使构 件具有良好的综合力学性能，能满足在重要承力结构上的应用。

为了解决前述技术问题，达到上述技术效果，本发明提供了如下的技术方案：

一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，焊后热处理退火温度采用亚再结晶退火 温度，即为再结晶温度T_RC以下50～80℃，加热保温。

与去应力退火制度的效果相比，本发明使焊接接头的冲击韧性a_kU和断裂韧性K_IC提 高30％以上。该退火温度适用于所有不加焊料的钛合金焊接方式，如氩弧焊、电阻焊、 潜弧焊；也适用于不加焊料或施加焊料的电子束焊接。

该钛合金为近α和α-β钛合金。

优选地，再结晶温度T_RC以下50～80℃，电炉中加热保温、空冷(AC)。

优选地，若零件焊后无法进行机加工，则在T_RC以下50～80℃，真空炉中加热保温， 然后随炉冷却(FC)或气冷。

优选地，真空炉真空度是1×10^-2～1×10^-4Pa。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提出一种亚再结晶退火工艺，该工艺与现有去应力退火的区别在于，现有去 应力退火工艺，不管是什么样的钛合金或哪种焊接方法，退火温度一般均在600℃左右， 而本发明是根据钛合金再结晶温度选定退火工艺制度。因为再结晶温度与材料及其变形 量有关，不同材料，再结晶温度不同；同一种材料变形量不同，其再结晶温度也不同。 针对再结晶温度制订焊后热处理工艺，克服了以往只按一种温度去应力退火温度制度的 盲目性。因此，本发明开辟了一种全新的工艺思路，根据材料和变形量的不同选择退火 温度，会出现同一材料由于变形量不同，工艺参数选择相差很大的情况，而这正是本发 明的创新之处。

需要特别指出的是，经过大量的试验研究发现，对于钛合金而言，其有关性能与 常规的其他金属材料明显不同，比如，塑性参数如延伸率和断面收缩率(即截面收缩率) 提高，并不能提高冲击韧性和断裂韧性，而是断裂韧性与塑性成反比。本发明的主要目 的是解决近α和α-β钛合金焊接接头韧性及接头性能的匹配问题，经过大量的试验研究 分析，提出了一种亚再结晶退火工艺，利用“回复软化---过饱和的亚稳态组织(α’、 亚稳β转变组织)充分分解一应力释放”原理，结合近α和α-β钛合金本身的特有性质， 适当降低接头强度，使塑韧性得到恢复，解决钛合金焊接构件强度匹配度以及冲击韧度 和断裂韧度低的问题，使焊接构件性能达到设计使用要求。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于 说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施例一：中等厚度焊接件-厚度δ40mm

1、定位：焊前用钢丝刷蘸丙酮打磨试板、垫板各面，再用丝绸布蘸丙酮将试板和 垫板各面擦拭干净。试板两端对接接缝用氩弧焊连续定位，焊接电流为216A。试板与 垫板之间进行3处30mm长焊缝定位。

2、焊接试板：电子束焊机为中压电子束焊机。工作距离为190mm，真空室真空度为 1.4×10^-3mbar，电子枪内真空度为1.1×10^-5mbar。

TA15电子束焊接工艺为：根据焊接厚度δ40mm，工作距离D＝180mm，焊接速度 v＝300mm/min，加速电压U＝55kV，焊接电流I＝300mA，聚焦电流I_f＝2.0A。

3、焊后热处理：焊后热处理制度为电炉中或真空炉，830℃×2.0h，电炉中为空冷 AC；真空炉中为炉冷FC。

具体实施例二：大厚度焊接件-厚度δ80mm

1、定位：焊前用钢丝刷蘸丙酮打磨试板、垫板各面，再用丝绸布蘸丙酮将试板和 垫板各面擦拭干净。试板两端对接接缝用氩弧焊连续定位，焊接电流为216A。试板与 垫板之间进行3处30mm长焊缝定位。

2、焊接试板：电子束焊机为中压电子束焊机。工作距离为190mm，真空室真空度为 1.4×10^-3mbar，电子枪内真空度为1.1×10^-5mbar。

TA15电子束焊接工艺为：根据焊接厚度δ80mm，工作距离D＝200mm，焊接速度 v＝600mm/min，加速电压U＝δ5kV，焊接电流I＝600mA，聚焦电流I_f＝2.12A。

3、焊后热处理：焊后热处理制度采用电炉中或真空炉840℃×2.5h，电炉中为空冷 AC，真空炉中为炉冷FC。

本发明技术应用于TA15电子束焊接头焊后热处理上，对于TA15电子束焊接头经过 亚再结晶退火工艺后，不仅残余应力消除更充分，而且由于焊缝中α相的析出形成编织 结构，使接头具有良好的综合性能，见表1、表2。

表1具体实施例一(中等厚度焊接件-δ40mm，再结晶温度为880℃)

表2具体实施例二(大厚度焊接件-δ80mm，再结晶温度为920℃)

表中，σ_b为抗拉强度；σ_p0.2为屈服强度；δ₅为延伸率；Ψ为断面收缩率；a_kU为冲 击韧度；K_IC为断裂韧度I

由表可知，由去应力退火处理变为亚再结晶退火，冲击韧度a_kU值、断裂韧度K_IC值 提高了30％以上，韧度指标明显改善。焊后亚再结晶退火降低了接头区(包括焊缝、热 影响区、母材)的强度不匹配度，因此尽管焊缝及母材强度略有降低，但整个焊接构件 的疲劳性能仍与焊后去应力退火接头保持在同一水平(3％以内)，本发明拓展了电子束 焊接工艺在飞机重要承力结构上的应用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。