一种改善钛合金焊接构件性能的亚再结晶退火工艺的制作方法
【专利摘要】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TRC以下50～80℃，加热保温，冲击韧度akU值、断裂韧度KIC值提高了30％以上，韧性指标明显改善。经过亚再结晶退火焊后热处理的钛合金焊接构件，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，使构件具有良好的综合性能，从而使得焊接工艺在航空、航天等领域的重要承力结构上得到应用，为进一步发挥焊接工艺的优势奠定了技术基础。本发明适用于近α和α-β钛合金。
【专利说明】一种改善钛合金焊接构件性能的亚再结晶退火工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高焊接构件性能匹配度及冲击韧性aku和断裂韧性Krc，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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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(aKU—般低于30J/cm2，Krc低于
60 MPa^ )，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。
[0005]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。
[0006]《航空制造技术》，2004年增刊的文章“热处理对ΤΑ15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】
[0007]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。
[0008]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:
[0009]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Trc以下50~80 C，加热保温。
[0010]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aku和断裂韧性Krc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。
[0011]该钛合金为近α和α-β钛合金。
[0012]优选地，再结晶温度Tkc以下50~80°C，电炉中加热保温、空冷(AC)。
[0013]优选地，若零件焊后无法进行机加工，则在Tk以下50~80°C，真空炉中加热保温，然后随炉冷却(FC)或气冷。
[0014]优选地，真空炉真空度是IX 10_2~lX10_4Pa。
[0015]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0016]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°C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。
[0017]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“回复软化一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】
[0018]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。
[0019]具体实施例一:中等厚度焊接件-厚度δ 40mm
[0020]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。[0021]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
1.4Xl(T3mbar，电子枪内真空度为 1.lXl(T5mbar。
[0022]TA15电子束焊接工艺为:根据焊接厚度δ 40mm,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If = 2.0A。
[0023]3、焊后热处理:焊后热处理制度为电炉中或真空炉，830°C X2.0h,电炉中为空冷AC ;真空炉中为炉冷FC。
[0024]具体实施例二:大厚度焊接件-厚度δ 80mm
[0025]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。
[0026]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
1.4Xl(T3mbar，电子枪内真空度为 1.lXl(T5mbar。
[0027]TA15电子束焊接工艺为:根据焊接厚度δ 80mm,工作距离D = 200mm,焊接速度V=600mm/min,加速电压U = δ 5kV,焊接电流I = 600mA,聚焦电流If = 2.12A。
[0028]3、焊后热处理:焊后热处理制度采用电炉中或真空炉840°C X2.5h，电炉中为空冷AC，真空炉中为炉冷FC。
[0029]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。
[0030]表1具体实施例一(中等厚度焊接件-δ 40mm,再结晶温度为880°C )
[0031]
【权利要求】
1.一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，其特征在于，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Tkc以下50~80°C，加热保温；优选地，焊后热处理为再结晶温度Tkc以下50~80°C在电炉中加热保温、空冷；或优选地，焊后热处理为再结晶温度Tkc以下50~80°C在真空炉中加热保温、随炉冷却(FC)或气冷。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，其特征在于，与去应力退火温度相比，焊接构件的冲击韧性aku和断裂韧性Kk提高30%以上。
3.根据权利要求1或2所述的一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，其特征在于，该亚再结晶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、电阻焊或潜弧焊；也适用于不加焊料和施加焊料的电子束焊接。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，真空炉真空度是 1Χ10-2 ~lXl0~4Pa。
5.根据权利要求1-4之一所述的一种钛合金焊接构件的亚再结晶退火工艺，其特征在于，优选适用于大于40mm的大厚度钛合金零件的电子束焊。
【文档编号】C22F1/18GK103938138SQ201410136488
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】张旺峰, 郭绍庆, 王玉会, 张庆玲, 李兴无 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院