本發(fā)明涉及鈦合金熱處理及加工制造技術領域，具體涉及一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性匹配的方法，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，可被廣泛應用于航空、航天、海洋等技術領域。

背景技術：

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

鈦合金在α+β兩相區(qū)或β單相區(qū)熱處理時，存在一定比例的β相，對于薄壁或較小構件，熱處理后冷卻速度較快導致β相轉變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)的脆性馬氏體相，馬氏體相具有較高的強度，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)的熱量以非常快的速度傳遞至熱影響區(qū)及母材區(qū)，最終導致熔合區(qū)的液態(tài)/固態(tài)轉變速度、固態(tài)β相的冷卻速度較快，β相將轉變?yōu)榇嘈缘尼槧铖R氏體相?？梢姡伜辖鸨”跇嫾崽幚砝鋮s過程中、窄間隙焊接及電子束焊接工藝都能夠導致β相轉變?yōu)閬喎€(wěn)馬氏體相。因此薄壁鈦合金構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到母材區(qū)的20％～70％，從而使焊接接頭成為影響整個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，可將構件置于鈦合金α+β兩相區(qū)進行熱處理，使馬氏體相轉變?yōu)檩^厚的α片層，但由于熱處理溫度較高時，零件極易發(fā)生變形導致尺寸變化，因此在工程應用當中應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，鈦合金薄壁構件、窄間隙焊接/電子束焊接接頭強韌性匹配不協(xié)調(具體表現(xiàn)為強度偏高、韌性偏低)的現(xiàn)狀，已成為制約鈦合金進一步推廣應用的關鍵瓶頸。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性匹配的方法，進一步優(yōu)化薄壁鈦合金構件、窄間隙焊接/電子束焊接接頭的強度韌性匹配(表現(xiàn)為降低焊接接頭強度、提高其韌性)，提高結構的安全性及可靠性，進一步推廣鈦合金的應用范圍。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性匹配的方法，在熱處理條件下，為熱處理結構提供較高溫度的冷卻氛圍，在不多于30秒的時間內將鈦合金構件轉移置于溫度為200～300℃的環(huán)境中進行冷卻；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)鈦合金強韌性匹配的方法，在窄間隙焊接前，通過感應加熱或電阻絲加熱，將窄間隙焊接構件坡口區(qū)域加熱至200～300℃，并在焊接過程中保持坡口區(qū)域維持在該溫度范圍直至焊接完成；在500℃～600℃對焊接工件進行焊后去應力熱處理，保溫時間為3～6小時，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，電子束焊接前，通過感應加熱或電阻絲加熱，將焊接接頭區(qū)域加熱至200～300℃，而后進行電子束焊接。

所述的優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性匹配的方法，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，根據焊接工件厚度，調整電子束焊接電流，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)深度達到工件厚度的55％～65％；進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)鈦合金強韌性匹配的方法，電子束焊接完成后，在500℃～ 600℃對焊接工件進行焊后去應力熱處理，保溫時間為3～6小時，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

本發(fā)明中優(yōu)化亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性匹配的工藝設計原理如下：

(1)鈦合金的強度、韌性匹配與其由β→α轉變過程中的冷卻速度密切相關。薄壁鈦合金構件固溶處理冷卻過程中、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，導致薄壁構件/焊接接頭的強度較高，但韌性偏低，因此需要采取工藝措施降低以上過程中β→α時的冷卻速度。

(2)當有周圍具有較高的溫度場時，熱處理后構件的冷卻速度及焊接接頭的冷卻速度將降低。圖1為通過計算模擬獲得的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轉變的主要溫度區(qū)間)，其中當外界環(huán)境溫度為300℃時，鈦合金的冷卻速度約為環(huán)境溫度為室溫時的二分之一。由此可見，提高環(huán)境溫度能有效降低β→α轉變冷卻速度，抑制亞穩(wěn)脆性馬氏體的形成，進而提高鈦合金的韌性。

(3)鈦合金構件熱處理置于較高的環(huán)境溫度下將降低構件的冷卻速度。窄間隙焊接及電子束焊接前將母材區(qū)預熱也可降低熔合區(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)域進行預熱，提高第三步焊接前的母材溫度，進而降低最終焊縫熔合區(qū)的冷卻速度，優(yōu)化焊接接頭的強度韌性匹配。為避免金屬元素在多次熔化的過程中過量揮發(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，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

(1)通過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)預熱、電子束焊接前母材預熱及電子束梯度焊接(前兩步均具有預熱作用)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，進而提高了構件的韌性，優(yōu)化其強韌性匹配；

(2)對窄間隙焊接坡口區(qū)及電子束焊接母材區(qū)的預熱同時降低了接頭區(qū)域的殘余應力；

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

附圖說明

圖1通過計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℃時的冷卻速度。圖中，橫坐標為溫度Temperature(℃)，縱坐標為冷卻速度Coolingrate(℃/s)。

圖2為對比例1中鈦合金板材顯微組織形貌。

圖3為實施例2中鈦合金板材顯微組織形貌。

圖4為對比例2中窄間隙焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖5為實施例4中窄間隙焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖6為對比例3中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖7為對比例4中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

圖8為實施例5中電子束焊接熔合區(qū)顯微組織形貌。

具體實施方式

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，導致鈦合金的沖擊韌性、斷裂韌性較低，降低了結構的安全性。在具體實施過程中，本發(fā)明提出優(yōu)化具有亞穩(wěn)態(tài)鈦合金強韌性的方法包括：在熱處理條件下，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。

在熱處理條件下，鈦合金構件熱處理保溫完成后，在不多于30秒的時間內將鈦合金構件轉移置于溫度為200～300℃的環(huán)境中進行冷卻，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，通過感應加熱、電阻絲加熱等措施，將窄間隙焊接構件坡口區(qū)域加熱至200～300℃，并在焊接過程中保持坡口區(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℃)對焊接工件進行焊后去應力熱處理，保溫時間為3～6小時，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，電子束焊接前，通過感應加熱、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，根據焊接工件厚度，調整電子束焊接電流，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)深度達到工件厚度的55％～65％；進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℃)對焊接工件進行焊后去應力熱處理，保溫時間為3～6小時，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

下面，結合附圖、對比例及實施例進一步詳述本發(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方案、窄間隙焊接技術方案及電子束焊接技術方案。

將厚度為5mm的Ti62A合金3塊板材(試板的長×寬為200×200mm)加熱到β單相區(qū)(Tβ+40℃)保溫1小時后在5秒內分別置于室溫環(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℃。測試三種熱處理條件下的拉伸強度及V型沖擊韌性，測試結果如表1所示。

以厚度為40mm的Ti62A合金板材為對象(試板的長×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)的強韌性匹配。通過感應加熱的方式，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試拉伸強度、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，測試結果如表2所示。

以厚度為60mm的Ti62A合金試板(試板的長×寬為400×300mm)為對象，介紹不同電子束焊接工藝下焊縫的強韌性。對Ti62A試板分別進行一次焊接穿透、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％，實施例中電子束焊接電流為150mA；第二步焊接熔合區(qū)深度達到工件厚度的55％～75％，實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試拉伸強度、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，測試結果如表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性能

實施例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)。

實施例3-4

窄間隙焊接試驗中，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有大幅度提升(表2)。

實施例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。

對比例1-4

分別將對比例1與實施例1、實施例2進行比較(表1)，將對比例2與實施例3、實施例4進行比較(表2)，將對比例3、對比例4與實施例5進行比較(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分別為對比例1、實施例2、對比例2、實施例4、對比例3、對比例4、實施例5的中的鈦合金顯微組織形貌，可以看出采用本發(fā)明中的相關工藝措施可使α片層明顯寬化，有效減少了針狀細小片層的比例，有利于鈦合金構件的韌性。

實施例結果表明，通過本發(fā)明的技術手段，可優(yōu)化熱處理結構/焊接接頭區(qū)域的溫度場，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。