基于氧化色标块确定受热钛合金构件力学性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于氧化色标块的受热钛合金构件力学性能确定方法，可应用于 快速确定受热钛合金构件是否满足性能要求。
【背景技术】
[0002] 钛及钛合金因具有密度小、比强度高、耐蚀、可焊等优良的综合性能在航空领域得 到广泛应用。然而，钛合金工件在机械加工、热处理或者在较高温度使用过程中会不可避免 地发生氧化反应，氧化产物不仅会使材料表面精度急剧下降，同时也会对合金力学性能产 生较大的负面影响，此时如何在不破坏工件的前提下判断其性能是否达标就成为各钛合金 生产加工单位迫切希望解决的问题。
[0003] 值得注意的是，钛合金在氧化过程中表面会发生显著的、规律性的颜色变化。例 如，航空发动机关键钛合金结构件的表面氧化色变化是其不同部位温度历程的直观反映， 是发动机超温使用或地面起火事故调查中的重要佐证，也是服役发动机定期检查中判断发 动机是否经历了局部高温等非正常情况的重要依据。因此，掌握和有效利用钛合金氧化色 变化规律，对于提高和保证发动机结构零部件的合理、有效使用非常重要。然而，国内对尚 未建立起钛合金构件不同受热历史下的氧化色变化规律。
[0004] 为了评估受热钛合金构件力学性能是否满足要求，单纯建立起钛合金构件不同受 热历史下的氧化色变化规律是不够的，还必须建立起钛合金氧化色-力学性能的对应关系。 2001年美国焊接协会在编号为AWS D17.1:2001的美国国家标准中制定了航空熔焊规范，根 据合金表面不同氧化色设定了焊接件的验收标准，其中标准规定当焊接件表面出现紫色 时，被认定为不合格。然而，该标准仅定性的依据焊接件表面颜色作为验收标准，并没有给 出具体的实验数据作为理论支撑。另一方面，该标准仅适用于对焊接件进行合格判定，而对 钛合金热处理件或高温环境中工作的钛合金构件则不适用。
【发明内容】
[0005] 为克服现有技术中存在的不适用钛合金热处理件或高温环境中工作的钛合金构 件的不足，本发明提出了一种基于氧化色标块确定受热钛合金构件力学性能的方法。
[0006] 本发明的具体过程是：
[0007] 步骤1，氧化色标准样块的制作:在某类钛合金上切取η件标准样块，并依次编号。 将所切取的标块经磨床磨制使其表面粗糙度达到与实际生产工件一致的0.8~1.6μπι。对切 取的各标准样块用蒸馏水和无水乙醇中超声清后干燥处理。
[0008] 步骤2,测试试样的制备。另取一与氧化色标准样块同类的钛合金坯料，将该类钛 合金坯料通过线切割制成拉伸性能测试试样和冲击韧性测试试样。拉伸性能测试试样尺寸 按照GB/T 228.1-2010执行，冲击韧性测试试样尺寸按照GB/T 229-2007执行。所述每件标 准样块配备6个试样，分别是三个拉伸试样和三个冲击韧性试样。
[0009] 步骤3,氧化处理:将所述各标准样块按照编号顺序分别置于η个电炉中；将制作的 测试试样分别放入有各标准样块的电加热炉中，并且每个电加热炉中放置6个测试试样。对 各电加热炉加热2h。各电加热炉的温度为阶梯式，并且所述各电炉之间的温度差均等;最低 加热温度为10 0 °c，最高加热温度为10 00 °c。加热结束后自然冷却至室温。分别得到该类钛 合金各温度下的氧化色标块和氧化测试试样。
[0010] 步骤4,确定各温度下氧化色标块:冷却后的各温度下的氧化色标块呈现不同颜 色，根据所述各氧化色标块表面的不同颜色，确定钛合金构件的受热温度。将各温度下的氧 化色标块进行透明塑料包覆及真空封装，组成一套能够提供长期参考的氧化色标块。
[0011] 步骤5，氧化测试试样的力学性能测试:按照GB/T 228.1-2010测试氧化测试试样 的拉伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率，按照GB/T 229-2007测试氧化 测试试样的冲击韧性。测试后，分别得到个不同受热温度下每组各3个测试试样的抗拉强 度、屈服强度、延伸率、断面收缩率和冲击韧性的测试数据。将每组中得到的各力学性能测 试值相加后求其平均值，分别得到每组各力学性能的平均值。
[0012]步骤6,确定受热钛合金构件力学性能:将受热后的该类钛合金构件表面颜色同氧 化色标块进行对比，快速确定该类钛合金构件的受热温度;根据步骤5得到每组各力学性能 的平均值即能够评估该类钛合金构件受热后的力学性能是否满足要求。
[0013] 为全面揭示钛合金构件不同受热历史下的氧化色变化规律，本发明建立起钛合金 氧化色标块的标准制作方法。另外，为实现对受热钛合金构件力学性能的快速评判，本发明 建立了基于氧化色标块对受热钛合金构件进行力学性能评估的方法，按照GB/T228.1-2010 测试氧化测试试样的拉伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率，按照GB/T 229-2007测试氧化测试试样的冲击韧性。测试后，分别得到η组、每组各3个的抗拉强度、屈 服强度、延伸率、断面收缩率和冲击韧性的测试数据。将每组中得到的各力学性能测试值相 加后求其平均值，分别得到每组各力学性能的平均值。对得到的每组各力学性能的平均值 进行分析，将氧化测试试样力学性能与该温度下氧化色标块所呈现的氧化色进行一一对 应。
[0014] 以本发明提出的方法对受热钛合金构件进行力学性能评估时，将受热后的钛合金 构件表面颜色同氧化色标块进行对比，即能够快速评估受热钛合金构件所具有的力学性能 是否满足要求。
[0015] 本发明中受热钛合金构件为热处理件或机加件，或者是热暴露条件下的钛合金构 件。由于不同类型钛合金之间氧化色标块颜色并不统一，因此对于一种特定钛合金，需要专 门制作该类钛合金的氧化色标块。
[0016] 本发明利用钛合金表面颜色变化与其组织性能存在一定的对应关系的原理。建立 了一套包含氧化色标块的制作、氧化测试试样的力学性能测试及利用氧化色标块对受热钛 合金构件进行力学性能评判的规范。利用本发明，能够仅通过钛合金构件表面颜色就可以 判定该构件的受热历史及受热温度，并且可以在不损坏构件的前提下快速确定该受热构件 的力学性能是否满足使用要求，有效节省了时间和成本。附图1和附图2分别为本发明中对 TC18和TC21两种钛合金进行不同温度氧化处理所得到的氧化色标块。利用附图1和附图2所 示氧化色标块以及表1、表2所示两种钛合金不同氧化处理温度下的力学性能，可快速评估 这两种钛合金受热构件是否满足使用要求。
【附图说明】
[0017]图1是本发明对TC18钛合金制作的氧化色标块;其中：图la是KKTC的氧化色标块； 图lb是150°C的氧化色标块；图lc是200°C的氧化色标块；图Id是250°C的氧化色标块；图le 是300°C的氧化色标块；图If是350°C的氧化色标块；图lg是400°C的氧化色标块；图lh是450 °C的氧化色标块；图li是500°C的氧化色标块；图1 j是550°C的氧化色标块；图lk是600°C的 氧化色标块；图11是650 °C的氧化色标块；图lm是700 °C的氧化色标块；图In是750°C的氧化 色标块；图1〇是800°C的氧化色标块；图lp是850°C的氧化色标块；图lq是900°C的氧化色标 块;图lr是950°C的氧化色标块;图1 s是1000°C的氧化色标块。
[0018]图2是本发明对TC21钛合金制作的氧化色标块;其中：图2a是KKTC的氧化色标块； 图2b是150 C的氧化色标块；图2c是200 C的氧化色标块；图2d是250 C的氧化色标块；图2e 是300 °C的氧化色标块；图2f是350 °C的氧化色标块；图2g是400 °C的氧化色标块；图2h是450 °C的氧化色标块；图2i是500°C的氧化色标块；图2 j是550°C的氧化色标块；图2k是600°C的 氧化色标块；图21是650 °C的氧化色标块；图2m是700 °C的氧化色标块；图2n是750°C的氧化 色标块；图2〇是800°C的氧化色标块；图2p是850°C的氧化色标块；图2q是900°C的氧化色标 块;图2r是950 °C的氧化色标块;图2s是1000 °C的氧化色标块。
[0019] 图3是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 实施例1:
[0021] 本实施例是TC18钛合金氧化色标块的制作及其构件力学性能的评估方法，包含以 下步骤。
[0022] 步骤1，氧化色标准样块的制作。在TC18钛合金上切取η件标准样块并依次编号，由 于所述标准样块的数量决定了本实施例在进行力学性能评估时的准确度，故标准样块的数 量不少于10件，本实施例中，标准样块的数量为19件。所述标准样块的尺寸为70mm X 25mm X 5mm，依次编号为1#，2#，3#，......，19#。所切取的标块经磨床磨制后，先用蒸馏水清洗，再在 无水乙醇中超声清15min，干燥，其表面粗糙度达到与实际生产工件一致的0.8~1.6μηι。
[0023] 步骤2，测试试样的制备。另取一 TC18钛合金坯料，将该TC18钛合金坯料通过线切 害_成拉伸性能测试试样和冲击韧性测试试样。拉伸性能测试试样尺寸按照GB/T228.1-2010执行，冲击韧性测试试样尺寸按照GB/T 229-2007执行。所述测试试样的数量为每个加 热温度下有6个试样，分别是三个拉伸试样和三个冲击韧性试样。
[0024] 步骤3,氧化处理。将所述各氧化色标准样块按照编号顺序分别置于19个电炉中； 将制作的测试试样分别放入有氧化色标准样块的电加热炉中，并且每个电加热炉中放置6 个测试试样。对各电加热炉加热2h。各电加热炉的温度设定为阶梯式，其中温度最低的电加 热炉的温度为100 °C，温度最高电加热炉的温度为1000 °C;所述各电炉之间的温度差均为50 °C。加热结束后自然冷却至室温。分别得到氧化色标块和氧化测试试样。冷却后的氧化色标 块进行透明塑料包覆及真空封装等处理，便组成一套能够提供长期参考的氧化色标块。 TC18钛合金氧化色标块和氧化测试试样在不同温度加热后，在表面形成了色彩鲜艳、色调 分明的彩色膜，如图1所示。从图1中可以看出，当温度低于250°C时，由于加热温度较低，表 面颜色未发生明显的变化，仍为银白色。在250°C~500°C的温度范围内，合金表面的颜色从 淡黄色逐步加深，变成500°C的金黄色。550°C合金的氧化色为天蓝色，650°C~700°C为绿 色，750 °C~850 °C为深棕色，逐步过渡到1000 °C的深灰色，并出现了部分的脱落。
[0025] 步骤4，确定各温度下氧化色标块:TC18钛合金氧化色标块和氧化测试试样在不同 温度加热后，在表面形成了色彩鲜艳、色调分明的彩色膜