郝 宏，茍世寧，趙云平，曹 鵬，曹 珍

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

Ti－15－3(Ti－15V－3Cr－3Sn－3Al)合金材料是70年代后期在美國空軍的資助下研制和開發(fā)的一種新型的亞穩(wěn)β型鈦合金，具有高強度、優(yōu)異的冷變形能力及良好的可焊接性，其性能呈現(xiàn)較低的方向性，有“合金化純鈦”之稱。主要應用為采用冷成形的方法加工成鈑金結構件［1－2］。

在太陽翼及天線展開機構中使用的板彈簧就是用Ti－15－3材料制作。在地面及發(fā)射階段，板彈簧承受一定的拉應力被拉直展開，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧依靠彈性恢復形狀，來實現(xiàn)機構的解鎖，其功能直接影響機構的展開和衛(wèi)星功能的實現(xiàn)。在某型號板彈簧進行振動試驗時，發(fā)生了斷裂的情況，據(jù)此，對板彈簧部分技術指標進行了量化，具體情況是:a．板彈簧在額定拉力下拉伸后能夠恢復原有形狀；b．板彈簧破壞性拉伸屈服強度大于690 MPa，拉伸強度大于850 MPa；c．延伸率為3.8% ～9．4%。

技術指標中的b項和c項均為新增加內(nèi)容。針對修正后的板彈簧技術指標，開展板彈簧時效處理工藝研究，通過3種工藝參數(shù)真空時效處理后力學性能試驗對比，最終優(yōu)選出最佳的工藝參數(shù)。

2 工藝試驗

2.1 試驗件及材料

試驗是針對衛(wèi)星用板彈簧時效處理工藝，試驗件按衛(wèi)星用板彈簧圖樣生產(chǎn)，以驗證采用的工藝參數(shù)的合理性。安裝到太陽翼上后，板彈簧承受一定的拉應力被拉直展開，在衛(wèi)星發(fā)射階段承受振動、沖擊，衛(wèi)星入軌后，約束解除，板彈簧必須依靠彈性恢復形狀來實現(xiàn)機構的解鎖，因此要求板彈簧有較高的抗拉強度、具備一定的塑性及抗變形能力。板彈簧試驗件如圖1所示。

加工板彈簧的Ti－15－3合金材料是一種亞穩(wěn)態(tài)的β型合金，名義成分為Ti－15V－3Cr－3Sn－3AL，化學成分見表1所列。

圖1 板彈簧

表1 Ti－15－3鈦合金板材的化學成分

Ti－15－3材料軋制成型，經(jīng)真空固溶處理(溫度800℃ ±5℃；保溫10～15 min；真空度小于2.6×10－3Pa)，塑性會大大提高，具備優(yōu)良的冷成形性能，可以在室溫進行冷加工成形。Ti－15－3鈦合金固溶態(tài)主要是α'、α″、ω及過冷β相，在熱力學上是不穩(wěn)定的，加熱時會發(fā)生分解，分解過程比較復雜，不同的亞穩(wěn)相的分解過程不同，同一亞穩(wěn)相因合金和時效規(guī)范的不同分解過程也有所不同，最終產(chǎn)物均為平衡組織(α +β)。

在時效分解過程的一定階段，可以獲得彌散的(α+β)相，使合金產(chǎn)生彌散強化，這就是Ti－15－3鈦合金時效強化的基本原理。試驗材料為固溶處理、冷成形后，經(jīng)過時效處理的Ti－15－3材料。

2.2 工藝處理方案

Ti－15－3合金屬于亞穩(wěn)β型鈦合金，在時效過程中從基體β相中析出第二相α起彌散強化作用。雖然在形成α相的過程中可能會有脆性相ω的出現(xiàn)，但一般經(jīng)高溫(高于400℃)長時間時效，可避免脆性過渡相的殘存，因此，在我們做的試驗中所采用的時效溫度都高于這個溫度。

Ti－15－3鈦合金的時效強化隨著加熱、冷卻條件和時效溫度和保溫時間的差異會出現(xiàn)各種相變，得到不同的材料結構，在3種不同的工藝條件下進行了板彈簧時效處理，方案如表2所列:

表2 Ti－15－3合金真空時效處理工藝方案

2.3 拉伸試驗

在微機控制電子萬能試驗機上對采用3種時效處理參數(shù)進行真空時效處理后的板彈簧試驗件進行拉伸破壞試驗，拉伸速率2 mm/s，測試試驗件的抗拉強度、屈服強度，拉斷后測試材料延伸率，并對材料結構進行分析，最終根據(jù)相關要求確定出最佳的工藝參數(shù)。板彈簧拉伸試驗示意圖如圖2所示。

圖2 板彈簧拉伸試驗夾具

3 試驗結果及分析

3.1 方案一

3.1.1 試驗結果

針對方案一進行了多個批次8件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表3所列。

表3 方案一拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構見圖3所示。

圖3 方案一時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

3.1.2 數(shù)據(jù)分析

以方案一時效處理后的板彈簧，部分試驗件拉伸試驗中沒有明顯的屈服點，拉伸過程中基本沒有塑性變形過程，呈現(xiàn)脆性斷裂。斷裂位置均為90°彎角處如圖4所示，說明材料在未達到抗拉強度極限時就發(fā)生脆斷。

圖4 方案一板彈簧拉伸試驗斷裂位置

3.1.3 機理分析

以方案一時效處理后，由于時效處理溫度相對較低，析出的α強化相尺寸較小。細小α相的沿晶析出使晶界的斷面上出現(xiàn)沿晶韌窩［3］，使材料具有較高的強度和較弱的塑性變形能力。而板彈簧在時效處理前進行了90°直角折彎等冷作加工，由于折彎部位材料產(chǎn)生滑移導致α相的析出在折彎部位較材料其它部分集中，造成這種脆性斷裂的原因是析出相的出現(xiàn)使拉伸變形過程中位錯運動受阻且運動距離變短，位錯在析出相周圍的塞積所引起的應力集中，使微裂紋易于在這些地方產(chǎn)生，并且在拉伸過程中裂紋迅速擴展，造成板彈簧在未達到材料極限強度時，在90°彎角處脆性斷裂。

3.2 方案二

3.2.1 試驗結果

針對方案二，共進行了多個批次10件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表4所列。

表4 方案二拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構如圖5所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

以方案二時效處理后的板彈簧，拉伸試驗中呈現(xiàn)出較好的力學性能，板彈簧由使用區(qū)域斷裂(見圖7)，試驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)了材料力學性能。但是從試驗數(shù)據(jù)的一致性及針對試驗要求方面來看，此方案時效處理后的板彈簧力學性能試驗數(shù)據(jù)離散性相對較大。

3.2.3 機理分析

圖5 方案二時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

理論上講，隨著時效處理溫度的提高，析出的強化項(α相)尺寸不斷增大，數(shù)量不斷減少，可以有效降低材料的抗拉強度和屈服強度，而延伸率得以提高；在同一溫度時效時，可以認為形核質(zhì)點的數(shù)目是一樣的，隨著時效時間的延長，這些形核質(zhì)點不斷長大，相互之間的距離不斷縮小，其結果是析出相對位錯運動的阻礙作用增強，使得材料的抗拉強度和屈服強度提高，而延伸率下降。相比較而言，時效溫度對Ti－15－3材料析出相的長大趨勢和力學性能的影響比時效時間的影響大得多［4］。

以方案二時效處理后，由于提高了時效處理溫度，使得析出的α相尺寸明顯增大，材料延伸性能得到改善，呈現(xiàn)較好的力學綜合性能。

3.3 方案三

3.3.1 試驗結果

針對方案三進行了多個批次10件板彈簧力學性能試驗，試驗結果見表5所列。

表5 方案三拉伸試驗結果

板彈簧拉伸試驗曲線和晶相結構見圖6所示。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

以方案三時效處理后的板彈簧，拉伸時均由板彈簧使用區(qū)域斷裂(見圖7)，試驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)了材料力學性能，且各項試驗數(shù)據(jù)的一致性明顯優(yōu)于方案一和方案二，呈現(xiàn)出較強的強韌性綜合力學性能。

圖6 方案三時效處理后板彈簧拉伸曲線和晶相結構

3.3．3 機理分析

以方案三雙級時效處理后，第一級時效處理溫度較低，時間較短，材料內(nèi)部析出了數(shù)量較多的細小α相，此時材料強度高但是延伸性能差，通過第二級時效處理，在較高的溫度下保溫，使得析出的α相不斷增大，材料塑性得到大幅度改善，同時通過長時間雙級時效處理，避免脆性過渡相(ω相)的殘存，使得材料組織獲得穩(wěn)定的α+β相，得到較強的綜合力學性能。

圖7 方案二及方案三板彈簧拉伸試驗斷裂位置

4 結論

通過不同參數(shù)時效處理后板彈簧的力學性能試驗優(yōu)化出了板彈簧最佳時效處理參數(shù)。通過測試的數(shù)據(jù)、曲線以及試驗結果的比較與分析，結合圖8中3種方案數(shù)據(jù)各項數(shù)據(jù)區(qū)間比對結果可以得出以下結論:

圖8 3種方案各項試驗數(shù)據(jù)區(qū)間對比

a．以方案一時效處理的板彈簧試驗數(shù)據(jù)離散性很大，由于材料強度過高但塑性很差，試驗件拉伸時試驗數(shù)據(jù)沒有體現(xiàn)出材料本身的性能就已經(jīng)發(fā)生脆斷，而且材料對自身的缺陷和加工缺陷比較敏感，耐疲勞能力較弱，存在延遲斷裂的危險(在遠低于自身強度的拉應力長期作用下，突然發(fā)生斷裂)，因此可靠性和安全性不高；

b．以方案二及方案三時效處理，均可以生產(chǎn)出滿足使用要求的板彈簧，但是方案三的試驗數(shù)據(jù)離散性明顯小于方案一和方案二，從產(chǎn)品成品率及可靠性考慮，結合試驗數(shù)據(jù)的一致性要求，最終確定方案三作為板彈簧的時效處理工藝方案。

［1］沙愛學，王慶如，李興無．航空用高強度結構鈦合金的研究及應用［J］．稀有金屬，2004，28(1):239－242．

［2］王慶如，張慶玲．戴美云，等．Ti－15－3 鈦合金的應用研究［J］．材料工程，1996，(12):16 －19．

［3］李紅英．金屬拉伸試樣的斷口分析［J］．稀有金屬與硬質(zhì)合金，2011，27(1):76－79．

［4］紀仁峰，閡新華，胡弘劍，等．熱處理工藝對Ti－15－3合金熱軋棒材顯微組織與力學性能的影響［J］．稀有金屬與硬質(zhì)合金，2010，38(2):49