本發(fā)明涉及鈦合金熱處理及加工制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，適用于α+β型及近β型鈦合金的熱處理、窄間隙焊接及電子束焊接工藝，可被廣泛應(yīng)用于航空、航天、海洋等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦合金因具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能，在航空、航天、海洋等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。鈦合金的熱處理、窄間隙焊接及電子束焊接是鈦合金應(yīng)用的不可缺少的工藝處理手段，直接關(guān)系到在鈦合金在航空、航天、海洋等領(lǐng)域的應(yīng)用。

鈦合金在α+β兩相區(qū)或β單相區(qū)熱處理時(shí)，存在一定比例的β相，對(duì)于薄壁或較小構(gòu)件，熱處理后冷卻速度較快導(dǎo)致β相轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)的脆性馬氏體相，馬氏體相具有較高的強(qiáng)度，但其韌性較低。窄間隙焊接或電子束焊接是將熔化的金屬連接構(gòu)件。由于焊縫熔合區(qū)及熱影響區(qū)較窄，熔合區(qū)的熱量以非?？斓乃俣葌鬟f至熱影響區(qū)及母材區(qū)，最終導(dǎo)致熔合區(qū)的液態(tài)/固態(tài)轉(zhuǎn)變速度、固態(tài)β相的冷卻速度較快，β相將轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘尼槧铖R氏體相。可見(jiàn)，鈦合金薄壁構(gòu)件熱處理冷卻過(guò)程中、窄間隙焊接及電子束焊接工藝都能夠?qū)е娄孪噢D(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)馬氏體相。因此薄壁鈦合金構(gòu)件熱處理后的韌性通常降低，窄間隙焊接或電子束焊接接頭的沖擊韌性、斷裂韌性通常僅能達(dá)到母材區(qū)的20％～70％，從而使焊接接頭成為影響整個(gè)部件安全性的主要短板。為了消除鈦合金中亞穩(wěn)馬氏體相的影響，可將構(gòu)件置于鈦合金α+β兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，使馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)檩^厚的α片層，但由于熱處理溫度較高時(shí)，零件極易發(fā)生變形導(dǎo)致尺寸變化，因此在工程應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)盡量避免將薄壁件或焊接接頭置于α+β兩相區(qū)熱處理。

目前，鈦合金薄壁構(gòu)件、窄間隙焊接/電子束焊接接頭強(qiáng)韌性匹配不協(xié)調(diào)(具體表現(xiàn)為強(qiáng)度偏高、韌性偏低)的現(xiàn)狀，已成為制約鈦合金進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，進(jìn)一步優(yōu)化薄壁鈦合金構(gòu)件、窄間隙焊接/電子束焊接接頭的強(qiáng)度韌性匹配(表現(xiàn)為降低焊接接頭強(qiáng)度、提高其韌性)，提高結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性，進(jìn)一步推廣鈦合金的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，在熱處理?xiàng)l件下，為熱處理結(jié)構(gòu)提供較高溫度的冷卻氛圍，在不多于30秒的時(shí)間內(nèi)將鈦合金構(gòu)件轉(zhuǎn)移置于溫度為200～300℃的環(huán)境中進(jìn)行冷卻；在氬弧焊條件下，采用窄間隙焊接，將坡口區(qū)母材加熱至200～300℃；在電子束焊接條件下，采用三次焊接、每次熔合區(qū)逐步增大的焊接成型工藝。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，熱處理保溫后的冷卻環(huán)境是電阻爐、封閉或半封閉的具有一定溫度的腔體，鈦合金構(gòu)件在所述環(huán)境中冷卻至500℃以下后取出。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，在窄間隙焊接前，通過(guò)感應(yīng)加熱或電阻絲加熱，將窄間隙焊接構(gòu)件坡口區(qū)域加熱至200～300℃，并在焊接過(guò)程中保持坡口區(qū)域維持在該溫度范圍直至焊接完成；在500℃～600℃對(duì)焊接工件進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理，保溫時(shí)間為3～6小時(shí)，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，在電子束焊接條件下，將鈦合金材料置于真空環(huán)境下的電子束焊接艙體內(nèi)，電子束焊接前，通過(guò)感應(yīng)加熱或電阻絲加熱，將焊接接頭區(qū)域加熱至200～300℃，而后進(jìn)行電子束焊接。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，在電子束焊接條件下，將鈦合金材料置于真空環(huán)境下的電子束焊接艙體內(nèi)，根據(jù)焊接工件厚度，調(diào)整電子束焊接電流，采用三步驟梯度焊接方式完成焊接，其中：第一次焊接熔合區(qū)深度為工件厚度的20％～30％，電子束焊接電流范圍為2～3mA×δ，δ為焊接試板厚度，單位：mm；提高電子束焊接電流，使電子束焊接電流范圍為第一次焊接電流的1.5～2.0倍，使第二次焊接熔合區(qū)深度達(dá)到工件厚度的55％～65％；進(jìn)一步提高電子束焊接電流，使電子束焊接電流范圍為第一次焊接電流的3.0～3.5倍，使熔合區(qū)已連續(xù)穿透的形式貫穿整個(gè)工件厚度，完成電子束焊接。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的方法，電子束焊接完成后，在500℃～ 600℃對(duì)焊接工件進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理，保溫時(shí)間為3～6小時(shí)，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

本發(fā)明中優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性匹配的工藝設(shè)計(jì)原理如下：

(1)鈦合金的強(qiáng)度、韌性匹配與其由β→α轉(zhuǎn)變過(guò)程中的冷卻速度密切相關(guān)。薄壁鈦合金構(gòu)件固溶處理冷卻過(guò)程中、窄間隙焊接熔合區(qū)及電子束焊接熔合區(qū)由β單相區(qū)至α+β兩相區(qū)冷卻速度較快，形成亞穩(wěn)馬氏體脆性相，導(dǎo)致薄壁構(gòu)件/焊接接頭的強(qiáng)度較高，但韌性偏低，因此需要采取工藝措施降低以上過(guò)程中β→α?xí)r的冷卻速度。

(2)當(dāng)有周?chē)哂休^高的溫度場(chǎng)時(shí)，熱處理后構(gòu)件的冷卻速度及焊接接頭的冷卻速度將降低。圖1為通過(guò)計(jì)算模擬獲得的4種環(huán)境溫度條件下(RT室溫、100℃、200℃、300℃)鈦合金由1050℃降低至800℃的冷卻速度曲線(1050℃至800℃區(qū)間為β→α轉(zhuǎn)變的主要溫度區(qū)間)，其中當(dāng)外界環(huán)境溫度為300℃時(shí)，鈦合金的冷卻速度約為環(huán)境溫度為室溫時(shí)的二分之一。由此可見(jiàn)，提高環(huán)境溫度能有效降低β→α轉(zhuǎn)變冷卻速度，抑制亞穩(wěn)脆性馬氏體的形成，進(jìn)而提高鈦合金的韌性。

(3)鈦合金構(gòu)件熱處理置于較高的環(huán)境溫度下將降低構(gòu)件的冷卻速度。窄間隙焊接及電子束焊接前將母材區(qū)預(yù)熱也可降低熔合區(qū)的冷卻速度，而電子束梯度焊接工藝的第一步及第二步的主要作用是為焊接接頭區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，提高第三步焊接前的母材溫度，進(jìn)而降低最終焊縫熔合區(qū)的冷卻速度，優(yōu)化焊接接頭的強(qiáng)度韌性匹配。為避免金屬元素在多次熔化的過(guò)程中過(guò)量揮發(fā)，因此梯度焊接工藝將主要采用三步焊接。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：

(1)通過(guò)熱處理保溫后采用高溫氛圍下的冷卻、窄間隙焊接坡口區(qū)預(yù)熱、電子束焊接前母材預(yù)熱及電子束梯度焊接(前兩步均具有預(yù)熱作用)的方式，能夠顯著降低鈦合金由β→α相的冷卻速度，能夠有效抑制亞穩(wěn)馬氏體相的形成，進(jìn)而提高了構(gòu)件的韌性，優(yōu)化其強(qiáng)韌性匹配；

(2)對(duì)窄間隙焊接坡口區(qū)及電子束焊接母材區(qū)的預(yù)熱同時(shí)降低了接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力；

(3)在本發(fā)明技術(shù)方案下，窄間隙焊接、電子束焊接焊后消應(yīng)力所需的熱處理溫度較低(通常為600℃以下)較低溫度下的消應(yīng)力處理極大降低了工件在熱處理過(guò)程中變形的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證了焊接工件的尺寸精度。

附圖說(shuō)明

圖1通過(guò)計(jì)算模擬獲得的幾種環(huán)境溫度條件下鈦合金由1050℃冷卻至800℃時(shí)的冷卻速度。圖中，橫坐標(biāo)為溫度Temperature(℃)，縱坐標(biāo)為冷卻速度Coolingrate(℃/s)。

圖2為對(duì)比例1中鈦合金板材顯微組織形貌。

圖3為實(shí)施例2中鈦合金板材顯微組織形貌。

圖4為對(duì)比例2中窄間隙焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖5為實(shí)施例4中窄間隙焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖6為對(duì)比例3中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖7為對(duì)比例4中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖8為實(shí)施例5中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

具體實(shí)施方式

在α+β型及近β型鈦合金熱處理、氬弧焊或電子束焊接過(guò)程中，由于冷卻速度較快，在熱處理或焊接接頭區(qū)域生成亞穩(wěn)態(tài)的脆性馬氏體相，導(dǎo)致鈦合金的沖擊韌性、斷裂韌性較低，降低了結(jié)構(gòu)的安全性。在具體實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明提出優(yōu)化具有亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強(qiáng)韌性的方法包括：在熱處理?xiàng)l件下，提供較高溫度的冷卻氛圍；在氬弧焊條件下，將坡口區(qū)母材加熱到一定溫度；在電子束焊接條件下，采用三次焊接、每次熔合區(qū)逐步增大的焊接成型工藝。

在熱處理?xiàng)l件下，鈦合金構(gòu)件熱處理保溫完成后，在不多于30秒的時(shí)間內(nèi)將鈦合金構(gòu)件轉(zhuǎn)移置于溫度為200～300℃的環(huán)境中進(jìn)行冷卻，所述環(huán)境可以是電阻爐、封閉或半封閉的腔體等裝置。鈦合金構(gòu)件在所述環(huán)境中冷卻至500℃以下后取出。

在氬弧焊條件下，焊接前，通過(guò)感應(yīng)加熱、電阻絲加熱等措施，將窄間隙焊接構(gòu)件坡口區(qū)域加熱至200～300℃，并在焊接過(guò)程中保持坡口區(qū)域維持在該溫度范圍直至焊接完成。在較低溫度(通常為500℃～600℃)對(duì)焊接工件進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理，保溫時(shí)間為3～6小時(shí)，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

在電子束焊接條件下，采用如下方案：

方案一：將鈦合金材料置于真空環(huán)境下的電子束焊接艙體內(nèi)，電子束焊接前，通過(guò)感應(yīng)加熱、電阻絲加熱等措施，將焊接接頭區(qū)域加熱至200～300℃，而后進(jìn)行電子束焊接。

方案二：將鈦合金材料置于真空環(huán)境下的電子束焊接艙體內(nèi)，根據(jù)焊接工件厚度，調(diào)整電子束焊接電流，采用三步驟梯度焊接方式完成焊接，其中：第一次焊接熔合區(qū)深度為工件厚度的20％～30％，電子束焊接電流范圍為2～3mA×δ(δ為焊接試板厚度，單位：mm)；提高電子束焊接電流，使電子束焊接電流范圍約為第一次焊接電流的1.5～2.0倍，使第二次焊接熔合區(qū)深度達(dá)到工件厚度的55％～65％；進(jìn)一步提高電子束焊接電流，使電子束焊接電流范圍約為第一次焊接電流的3.0～3.5倍，使熔合區(qū)已連續(xù)穿透的形式貫穿整個(gè)工件厚度，完成電子束焊接。電子束焊接完成后，在較低溫度(通常為500℃～600℃)對(duì)焊接工件進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理，保溫時(shí)間為3～6小時(shí)，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

下面，結(jié)合附圖、對(duì)比例及實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。

以一種α+β兩相Ti62A鈦合金(Ti-Al-Mo-Cr-V-Sn-Zr-Fe系)為例，詳述本發(fā)明中提出的熱處理技術(shù)方案、窄間隙焊接技術(shù)方案及電子束焊接技術(shù)方案。

將厚度為5mm的Ti62A合金3塊板材(試板的長(zhǎng)×寬為200×200mm)加熱到β單相區(qū)(Tβ+40℃)保溫1小時(shí)后在5秒內(nèi)分別置于室溫環(huán)境、200℃電阻爐、300℃電阻爐中，保持10分鐘，以保證板材溫度低于500℃。測(cè)試三種熱處理?xiàng)l件下的拉伸強(qiáng)度及V型沖擊韌性，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

以厚度為40mm的Ti62A合金板材為對(duì)象(試板的長(zhǎng)×寬為400×300mm)，窄間隙焊接中坡口區(qū)具有不同溫度條件下熔合區(qū)的強(qiáng)韌性匹配。通過(guò)感應(yīng)加熱的方式，分別將窄間隙焊接坡口區(qū)溫度控制在室溫、200℃±20℃、300℃±20℃，并完成窄間隙焊接。焊后將焊接接頭在540℃保溫4小時(shí)后爐冷至100℃以下。試板熱處理完成后沿垂直于焊縫的方向分別取試樣測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、沖擊韌性，其中拉伸試樣平行段的中心及沖擊韌性試樣缺口均取在焊縫熔合區(qū)中心，斷裂韌性試樣的裂紋及缺口均取在熔合區(qū)且與焊縫平行，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

以厚度為60mm的Ti62A合金試板(試板的長(zhǎng)×寬為400×300mm)為對(duì)象，介紹不同電子束焊接工藝下焊縫的強(qiáng)韌性。對(duì)Ti62A試板分別進(jìn)行一次焊接穿透、兩次焊接(第一步熔合區(qū)高度約為試板厚度的1/3，第二步焊接穿透)以及梯度焊接工藝。本發(fā)明中的梯度焊接工藝分三步逐步使熔合區(qū)穿透整個(gè)試板厚度，其中第一步焊接使熔合區(qū)深度為工件厚度的20％～30％，實(shí)施例中電子束焊接電流為150mA；第二步焊接熔合區(qū)深度達(dá)到工件厚度的55％～75％，實(shí)施例中電子束焊接電流為260mA；第三步提高電子束焊接電流，實(shí)施例中電子束焊接電流為 480mA，使熔合區(qū)已連續(xù)穿透的形式貫穿整個(gè)工件厚度，完成電子束焊接。鈦合金梯度焊接的三步驟焊接中，后一步的熔合區(qū)要完全覆蓋前一步驟的熔合區(qū)范圍。電子束焊接試板的焊后熱處理工藝均為：540℃保溫4小時(shí)后爐冷至100℃以下。試板熱處理完成后沿垂直于焊縫的方向分別取試樣測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、沖擊韌性，其中拉伸試樣平行段的中心及沖擊韌性試樣缺口均取在焊縫熔合區(qū)中心，斷裂韌性試樣的裂紋及缺口均取在熔合區(qū)且與焊縫平行，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表1厚度為5mm的Ti62A合金3種熱處理工藝下的力學(xué)性能

表2厚度為40mm的Ti62A合金3種窄間隙焊接工藝下的力學(xué)性能

表3厚度為60mm的Ti62A合金3種電子束焊接工藝下的力學(xué)性能

實(shí)施例1-2

5mm厚度的Ti62A板材固溶熱處理后置于200℃、300℃氛圍下，合金的韌性較室溫條件有大幅度提升(表1)。

實(shí)施例3-4

窄間隙焊接試驗(yàn)中，坡口區(qū)溫度為200±20℃、300±20℃條件下焊縫熔合區(qū)的韌性較未采取加熱措施時(shí)有大幅度提升(表2)。

實(shí)施例5

表3中列出了采用本發(fā)明提出的梯度電子束焊接工藝方案下Ti62A合金的室溫力學(xué)性能，焊縫熔合區(qū)的韌性較一次焊接、兩次焊接有明顯提升。

對(duì)比例1-4

分別將對(duì)比例1與實(shí)施例1、實(shí)施例2進(jìn)行比較(表1)，將對(duì)比例2與實(shí)施例3、實(shí)施例4進(jìn)行比較(表2)，將對(duì)比例3、對(duì)比例4與實(shí)施例5進(jìn)行比較(表3)，可以看出，采用本發(fā)明中的工藝措施可提高鈦合金薄壁熱處理構(gòu)件、窄間隙焊接接頭、電子束焊接接頭的韌性。圖2～圖8分別為對(duì)比例1、實(shí)施例2、對(duì)比例2、實(shí)施例4、對(duì)比例3、對(duì)比例4、實(shí)施例5的中的鈦合金顯微組織形貌，可以看出采用本發(fā)明中的相關(guān)工藝措施可使α片層明顯寬化，有效減少了針狀細(xì)小片層的比例，有利于鈦合金構(gòu)件的韌性。

實(shí)施例結(jié)果表明，通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)手段，可優(yōu)化熱處理結(jié)構(gòu)/焊接接頭區(qū)域的溫度場(chǎng)，減緩其冷卻速度，抑制亞穩(wěn)脆性相生成，提高焊接接頭的韌性。