李博，周发斌
(中航飞机起落架有限责任公司，陕西汉中723200)
摘要：针对国内标准少见对Ti55531钛合金消除应力退火工艺研究的问题，设计了固定退火时间、变化热处理温度和固定温度、变化退火时间的多组别工艺试验，检测了抗拉强度、应力、富氧a相和氢含量，分析了不同温度、时间对抗拉强度及应力消除程度的影响，并与近*型TC18M钛合金进行对比试验，最终优选出的消除应力退火工艺参数保证了Ti55531钛合金各项性能指标的实现，满足了某型号产品的加工需求。结果表明：Ti55531钛合金退火消除应力最佳温度为500〜640k，时间＞3h。图像采集系统
关键词：Ti55531钛合金；消除应力；退火；抗拉强度；应力；性能指标
中图分类号:TQ153.11文献标志码：A抗氧化剂386
Research+nPr+cess+fStresReliefAnnealing+fTi55531Titanium Al+y
LI Bo,ZHOU Fabin
(AVIC Landing Gear Manufac t u ring Corporation,Hanzhong723200,China) Abstract:Aimed a t t h e problem of few internal standards s t u dy on anneal used for s t ress-relief of Ti55531t i tanium alloy,a muli-groupprocess es wasdesignedincludingfixedannealing ime,changinghea rea men empera ures,fixed empera ures,changingannealing ime,which measured ensiles reng h,s ress,oxygenenrichmen ofalphaphaseandhy-drogencon en,andanalyzed hee f ec sofdi f eren empera ureand imeon ensiles reng hands ressreliefdegree.The results were compared wit h t h ose of approxima t e*t y pe TC18M titanium alloy,finally,t h e optimized process parame t e rs of stress relief annealing were chosen which ensured the realization of the performance indexes of Ti55531t i tanium alloy and me heprocessingrequiremen sofacer ain ypeofproduc.Theresul sshowed ha hesuiable empera urefors ressre-lief by annealing of Ti55531titanium alloy was500〜640°C and the su i t a ble time was no t less than3hours.
Key words：Ti55531titaniumalloy,stress relief,annealing,t e nsile s t r eng t h,stress value,performance indexes
Ti55531钛合金是一种新型高强高韧*型合金，其名义成分为Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr o该合金与Ti-1023合金相比，其冶炼、加工成本低，不会产生明显的成分偏析，且具有强度优异和断裂强度高等优点，拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，特别适合制造必须承受巨大应力的零部件，比较适用于结
构件和起落架、机翼、发动机挂架之间连接装置等，在航空航天工业中日益受到青睐）13*。
中航飞机起落架有限责任公司新研制的某型机起落架零件一一车架横梁，采用了Ti55531钛合金材料作为重要承力件，尚属国内首次应用，基于零件加工需求及国内对Ti55531钛合金消除应力退火工艺未见公开报道，本工作重点研究了温度、时间对Ti55531消除应力程度的影响，并与成熟的TC18钛合金材料进行了对比，最终确定了Ti55531钛合金消除应力的最佳工艺参数。
1工艺试验
1.1试件
试件材料为国产Ti55531钛合金，其化学成分见表1。试件规格如图1所示，表面粗糙度＜R a0.8 "m；标准规定0退火+时效状态材料抗拉强度b= 1150〜1300MPa，氢含量#0.015%，热处理后无富氧a相。检测本批材料抗拉强度平均值为1240 MPa，长度方向应力（/1）为597.8MPa。
1.2保护涂料
钛合金非常活泼，在热处理过程中很容易受到氢、氧、氮等元素的污染。钛与氧作用会生成氧化膜，氧化膜向内扩散形成塑性很差的富氧a相层；吸氢后容易导致氢含量超标，留下氢脆隐患*5*。标
表1Ti55531钛合金化学成分（质量分数）（％）主要元素杂质（#）
Ti Al Mo V Cr Fe Zr C O N H单个杂质杂质总量基 4.0〜6.0 4.5〜6.0 4.5〜6.0 2.0〜360.2〜0.50.3〜2.00.080.180.050.0150.10.30
6±0.25
一留. 0
+||笆肯
.
+l g
.
z
M
氢含量试件
8.
6525±0.1“15±0.1
I
.
o
+l g
l
拉伸试件
应力检测试件
5
图1试件规格
准规定热处理可选用真空炉、可控气氛炉或涂料（Ti-1+和Ti-3+）保护法3种方式之一，本研究选用涂料保护后进行退火热处理。
1.3工艺试验
按不同工艺参数分别对试件进行退火处理，在试件长度方向选取不同点用残余应力测试仪检测应力；用拉伸试验机WDW-500测试抗拉强度；用氢含量测试仪ONH836检测氢含量；用金相显微镜BX41M检测富氧）相，并做好记录。
1.3.1不同温度下的退火试验
1）固定退火时间3h，采用空冷的冷却方式。对试件分别在700、680、660、640、620和600C条件下，
退火处理并进行相关检测，数据记录见表2和表3。
表2应力检测结果
温度/C热处理方式应力'2/MPa（长度方向）7003625363.8364236053623 6803638364.9365836343764 660空气炉+3605361.5358735813612 640涂料法3645365.8364936593645 6202758374.9373137353749 6003765376.4378137853775
表2和表3结果表明，氢含量、富氧）相均符合标准要求；应力消除程度△'（△'='1—'2）为220. 4〜238.7MPa；抗拉强度为1240〜1320MPa，其中部分超出标准要求。
2）固定退火时间3h，米用空冷的冷却万式。对试件分别在580、560、540、520、500和480C条件
下，退火处理并进行相关检测，数据记录见表4和
表3富氧）相和氢含量测试结果
芯片测试温度/C热处理方式
测试结果
抗拉强度/MPa富氧）相氢含量/% 7001320、1300、1300无00038 6801290、1300、1295无00043 660空气炉+1290、1280、1270无00045 640涂料法1270、1280、1265无00039 6201250、1250、1260无00036 6001250、1250、1240无00036表5。
表4应力检测结果
温度/C热处理方式应力'2/MPa（长度方向）5803871386.5387538843875 56038913885388139043886 540空气炉+3957394.7394139593948 520涂料法3995399.8398439414005 5004087407.2408640954071 48041954184418641954203表5富氧）相和氢含量测试结果
氮气压力表
温度/C热处理方式
测试结果
抗拉强度/MPa富氧）相氢含量/% 5801240、1245、1250无00038 5601220、1240、1230无00042 540空气炉+1240、1250、1230无00039 520涂料法1240、1230、1230无00039 5001230、1240、1225无00036 4801220、1230、1230无00036
表4和表5结果表明，抗拉强度为1220〜1250MPa；氢含量、富氧a相均符合标准要求；应力消除程度,f（,f=f1-f2）为1785〜210.4MPa。
3）固定退火时间3h，采用空冷的冷却方式。对试件分别在440、420、400、380和360k条件下，退火处理并进行相关检测，数据记录见表6和表7。
表6应力检测结果
温度/k热处理方式应力f2/MPa（长度方向）460429.5428.4428.6429.8430.5 440439.8439.1438.7440.8440.2 420空气炉+447.1446.5446.6448.1448.2 400涂料法452.8452.3451.5451.9453.6 380452.8457.1458.9458.1457.5 360452.7451.6452.8452.6453.4
表7富氧a相和氢含量测试结果
温度/k热处理方式
测试结果
抗拉强度/MPa富氧a相氢含量/% 4601230.1230.1235无0.0039 4401220.1230.1235无0.0038 420空气炉+1230.1240.1230无0.0042 400涂料法1230.1220.1225无0.0039 3801230.1220.1230无0.0039 3601230.1240.1235无0.0036表6和表7结果表明，抗拉强度为1220〜1240MPa；氢含量、富氧a相均符合标准要求；应力消除程度△'（△''f1-f2）为145.1〜168.4 MPa，消除应力程度最低。
4）不同温度对抗拉强度及应力消除程度的影响分别如图2和图3所示。
图2不同温度对抗拉强度的影响
由图2和图3可知，选择500〜640k消除应力退火时，既能保证T155531钛合金材料退火后的抗拉强度完全合格，又能保证消除应力程度适中。
图3不同温度对应力消除的影响
1. 3.2不同退火时间下的工艺试验
固定退火温度为500〜640k区间内任意一点，例如580k，退火时间分别按0.5h、1h、2h、3h、…、8h进行试验，检测结果见表8。应力消除程度随着时间的变化曲线如图4所示。
表8应力、富氧a相和氢含量检测结果
保温时
测试结果
间/h
试件编号热后应力
f2/MPa
(△f=f l-f2)
/M Pa
富氧
a相
氢含量/% 0.5161275.4322.4无0.0036
116-2+273.4324.4无0.0037 216-3+271.7326.1无0.0045 316-4+263.4334.4无0.0049 416-5+261.3336.5无0.0038 516-6+260.7337.1无0.0046 616-7+261.4336.4无0.0038 7168271.1326.7无0.0045 816-9+261.0336.8无0.0038
图4不同时间应力消除程度
表8结果表明，富氧a相、氢含量均符合标准要求。由图4可知，同种规格下，应力消除程度随着时间的增加，程度较明显，但时间超过3h后，应力消除量趋于平稳，故该材料消除应力时间＞3h。
1.3.3Ti55531与TC18M对比试验
用近*型钛合金中较为成熟的材料TC18M与
Ti55531 进行对比，分别在 640、620、600、580、540、
520和500 C 条件下退火3 h，空冷。TC18 M 退火
前'1 = 920.8 MPa ，退火后应力'2检测结果见表
9。
表9 TC18 M 退火后应力测试结果
温度+C 热处理方式
应力'2/MPa(长度方向)640575 8570 5563 8568 1570 8620595 4590 4586 8580 7588 7600
611 5
607 4601 8
598 7597 5580空气炉+
涂料法
639 8639 1638 7640 8640 2540657 8655 1
654 5658 1657 5520651 7
648 6652 8650 6653 8500
640 2
645 8
639 7
645 1
642 3
表9结果表明，在500〜640 C ，退火时间%3 h
时，TC18M 应力消除量△'为281. 1〜357 MPa，消 除量'1—'
2C100%为30%〜38.7%。表2和表4 结果表明，在500〜640 C ，退火时间％ 3 h 时,
T155531钛合金应力消除量△'为167. 5〜223. 1
MPa，消除量'1—'
2X100%为 28%〜37%。此时， T155531钛合金退火消除应力后材料应力程度已低
于TC18 M，能够满足使用要求。
2结语
通过上述研究可以得出如下结论。
1) 在消除应力时间相同的条件下，相对较高的
温度有利于Ti55531钛合金应力的消除。
2) 在温度相同的条件下，延长时间有利于应力
的消除，但时间超过某点时，消除程度明显减缓。
3) Ti55531钛合金退火消除应力的最佳温度为 500〜640 C ，时间%3 h 。
参考文献
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作者简介：李博(1969-)，男，研究员级高级工程师，主要从事
飞机起落架生产过程中特种工艺的应用和研究工
作。
收稿日期 2021-01-30
责任编辑张国珍wentimeimei
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