板弹簧真空时效处理工艺研究

来源:热处理工艺问答作者:马伯龙

  针对空间用板弹簧的使用要求,开展Ti-15-3钛合金材料的真空时效处理工艺研究。通过调整时效温度和时效时间,分别对板弹簧进行时效处理。第一批次板弹簧时效温度450℃,第二批次时效温度520℃,第三批次采用双级时效( 第一级温度450℃,第二级温度520℃) 。对所有三个批次的板弹簧试验件进行拉伸试验,试验结果显示第一种时效处理工艺处理的ti-15-3 材料获得了很高的拉伸强度,但屈服强度较差。采用第二种时效处理工艺和第三种时效处理工艺的ti-15-3 材料抗拉强度和屈服强度都很高,但是第二种时效处理工艺获得的延伸率较为离散,选择第三种时效处理工艺作为板弹簧产品时效处理工艺。

1、引言

  Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)合金材料是70 年代后期在美国空军的资助下研制和开发的一种新型的亚稳β 型钛合金,具有高强度、优异的冷变形能力及良好的可焊接性,其性能呈现较低的方向性,有“合金化纯钛”之称。主要应用为采用冷成形的方法加工成钣金结构件。在太阳翼及天线展开机构中使用的板弹簧就是用Ti-15-3 材料制作。在地面及发射阶段,板弹簧承受一定的拉应力被拉直展开,卫星入轨后,约束解除,板弹簧依靠弹性恢复形状,来实现机构的解锁,其功能直接影响机构的展开和卫星功能的实现。在某型号板弹簧进行振动试验时,发生了断裂的情况,据此,对板弹簧部分技术指标进行了量化,具体情况是:

  a、板弹簧在额定拉力下拉伸后能够恢复原有形状;

  b、板弹簧破坏性拉伸屈服强度大于690MPa,拉伸强度大于850 MPa;

  c、延伸率为3.8%~9.4%。

  技术指标中的b项和c项均为新增加内容。针对修正后的板弹簧技术指标,开展板弹簧时效处理工艺研究,通过3种工艺参数真空时效处理后力学性能试验对比,最终优选出最佳的工艺参数。

2、工艺试验

2.1、试验件及材料

  试验是针对卫星用板弹簧时效处理工艺,试验件按卫星用板弹簧图样生产,以验证采用的工艺参数的合理性。安装到太阳翼上后,板弹簧承受一定的拉应力被拉直展开,在卫星发射阶段承受振动、冲击,卫星入轨后,约束解除,板弹簧必须依靠弹性恢复形状来实现机构的解锁,因此要求板弹簧有较高的抗拉强度、具备一定的塑性及抗变形能力。板弹簧试验件如图1 所示。

板弹簧

图1 板弹簧

  加工板弹簧的Ti-15-3合金材料是一种亚稳态的β 型合金,名义成分为Ti-15V-3Cr-3Sn-3AL,化学成分见表1 所列。

表1 Ti-15-3钛合金板材的化学成分

Ti-15-3钛合金板材的化学成分

  Ti-15-3 材料轧制成型,经真空固溶处理( 温度800℃ ± 5℃; 保温10~15 min; 真空度小于2.6×10-3 Pa) ,塑性会大大提高,具备优良的冷成形性能,可以在室温进行冷加工成形。Ti-15-3 钛合金固溶态主要是α'、α″、ω 及过冷β 相,在热力学上是不稳定的,加热时会发生分解,分解过程比较复杂,不同的亚稳相的分解过程不同,同一亚稳相因合金和时效规范的不同分解过程也有所不同,最终产物均为平衡组织(α + β) 。

  在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的(α + β) 相,使合金产生弥散强化,这就是Ti-15-3 钛合金时效强化的基本原理。试验材料为固溶处理、冷成形后,经过时效处理的Ti-15-3 材料。

结论

  通过不同参数时效处理后板弹簧的力学性能试验优化出了板弹簧最佳时效处理参数。通过测试的数据、曲线以及试验结果的比较与分析,结合图8 中3 种方案数据各项数据区间比对结果可以得出以下结论:

3种方案各项试验数据区间对比

图8 3种方案各项试验数据区间对比

  a、以方案一时效处理的板弹簧试验数据离散性很大,由于材料强度过高但塑性很差,试验件拉伸时试验数据没有体现出材料本身的性能就已经发生脆断,而且材料对自身的缺陷和加工缺陷比较敏感,耐疲劳能力较弱,存在延迟断裂的危险( 在远低于自身强度的拉应力长期作用下,突然发生断裂) ,因此可靠性和安全性不高;

  b、以方案二及方案三时效处理,均可以生产出满足使用要求的板弹簧,但是方案三的试验数据离散性明显小于方案一和方案二,从产品品率及可靠性考虑,结合试验数据的一致性要求,最终确定方案三作为板弹簧的时效处理工艺方案。