板弹簧真空时效处理工艺研究

　　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[1-2]。

　　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850MPa; 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。

　　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。

　　Ti-15-3材料轧制成型，经真空固溶处理(温度800℃±5℃; 保温10～15min; 真空度小于2.6×10-3Pa)，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。

　　2.2 工艺处理方案

　　Ti-15-3合金属于亚稳β型钛合金，在时效过程中从基体β相中析出第二相α起弥散强化作用。虽然在形成α相的过程中可能会有脆性相ω的出现，但一般经高温(高于400℃)长时间时效，可避免脆性过渡相的残存，因此，在我们做的试验中所采用的时效温度都高于这个温度。