欧阳瑞洁, 苗春昊, 张 海, 杨文博, 董翔宇
(兰州空间技术物理研究所, 甘肃 兰州 730000)
金属隔膜贮箱是一种先进的、适应于空间工作的推进剂贮箱,在重力、微重力、高温环境下为液体动力系统贮存和管理推进剂,可向发动机提供不含气体的推进剂,广泛应用于空间飞行器及导弹系统控制领域,具有推进剂晃动小、排流量大、可靠性高、在侧向过载条件下能可靠排放和工况突变适应能力强等优点,广泛应用于经常变轨、姿态调整频繁、机动性强的航天器中[1-3]。金属隔膜贮箱的管理装置是贮箱的关键部件,金属隔膜贮箱工作时,增压气体挤压金属隔膜,将推进剂挤入输送管路,实现推进剂的供应,贮箱推进剂排放期间金属隔膜要经历从上半球翻转到下半球的弹塑性大变形,排放性能受金属隔膜材料性能、外形尺寸、隔膜厚度及连接边界等诸多因素的影响,因此贮箱的关键技术是金属隔膜设计及其材料特性[4]。工业纯钛隔膜密度小、比强度、比刚度较大,翻转过程稳定可控,不易产生褶皱,同时具有易焊接、耐腐蚀性强、耐高温等优异性能,已广泛应用于金属隔膜的加工制造[5-7]。
金属隔膜的力学性能对隔膜的翻转压差、翻转过程的稳定性具有重要作用,为实现稳定翻转,对其原材料的抗拉强度和规定非比例延伸强度提出了较高的要求。现有的工业纯钛原材料虽已可满足大多数金属隔膜的使用要求[8],但对于某些结构特殊的金属隔膜,对原材料综合力学性能要求较高,原材料本身难以达到使用需求,需通过加工过程中的热处理方式进一步提升材料性能。此外,目前采用的金属隔膜制造工艺大多采用冲压成形与机械加工结合的方法,隔膜组件经焊接而成,生产过程中会产生热应力及加工应力,产生应力集中,为金属隔膜稳定翻转带来不利影响。为去除应力,通常在冲压成形及焊接后,采取去应力退火热处理。去应力退火可消除加工硬化现象,有效改善局部应力集中,但同时会降低材料断后伸长率,若要进一步提升材料综合性能,得到抗拉强度和断后伸长率均较高的金属隔膜,还需深入研究热处理工艺,在去除加工应力的同时,通过材料组织再结晶,得到塑性更强、翻转性能更好的金属隔膜。
本文通过对TA1ELI板材热处理工艺的研究,探究不同热处理温度对该原材料力学性能的影响趋势,为有效提高金属隔膜力学性能的热处理工艺提供理论依据,同时,将优化后的热处理工艺应用于实际产品,得到了性能完全满足使用需求的金属隔膜。
试验所用原材料为TA1ELI工业纯钛板,其规格(长×宽×高)为720 mm×720 mm×20 mm,其化学成分如表1所示。试验钛板共10张,按表2所示的温度进行真空热处理工艺试验,保温时间均为2 h,冷却方式为随炉冷却。试件热处理后加工为标准拉伸试样进行室温力学性能测试,拉伸试件尺寸及试验方法按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》执行,试件示意图见图1。对采用不同温度进行热处理后的钛板力学性能进行分析,得出可满足要求的最优热处理工艺。
图1 原材料拉伸试样简图Fig.1 Schematic diagram of the raw material tensile specimen
表1 TA1ELI钛板化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of the TA1ELI titanium plate (mass fraction, %)
表2 真空热处理试验温度Table 2 Temperature of vacuum heat treatment test
采用试验确定的最优热处理参数对加工完成的金属隔膜零件进行热处理,从零件上取样进行实际加工后的力学性能分析,验证实际力学性能是否满足表3的要求,隔膜拉伸试样示意图见图2。
图2 金属隔膜拉伸试样简图Fig.2 Schematic diagram of the metal diaphragm tensile specimen
表3 金属隔膜力学性能指标Table 3 Mechanical properties of metal diaphragm
2.1 不同热处理温度下钛板的力学性能
从编号为1～10的每张钛板上分别取4个拉伸试样,其中3个分别在610、660和710 ℃下进行真空热处理,另一个不做处理,试样室温力学性能各项指标如图3所示。从试验结果可以看出,试验钛板原始状态的抗拉强度在301～311 MPa之间,规定非比例延伸强度在170～196 MPa之间,断后伸长率在52%～62.6%之间,部分指标无法满足金属隔膜的力学性能要求。对比610、660、710 ℃ 3种热处理温度下材料的力学性能发现,与原始态相比,经真空热处理后材料的抗拉强度、规定非比例延伸强度均有所下降,断后伸长率则有不同程度的提升,采用710 ℃进行真空热处理时,所有试样的断后伸长率均达到60%以上,因此可以认为对原材料进行710 ℃真空热处理可有效提升钛板的断后伸长率。
图3 不同热处理温度下试验钛板的力学性能(a)抗拉强度;(b)规定非比例延伸强度;(c)断后伸长率;(d)断面收缩率Fig.3 Mechanical properties of the tested titanium plates at different heat treatment temperatures(a) tensile strength; (b) proof strength at 0.2% non-proportional extension; (c) elongation; (d) percentage reduction of area
2.2 热处理温度对力学性能的影响
通过试验结果可以看出,对TA1ELI纯钛板进行610～710 ℃的热处理后,钛板的力学性能变化趋势基本一致,其中抗拉强度和规定非比例延伸强度有所下降,断后伸长率有所提升,断面收缩率则变化不明显。为进一步探究不同的热处理温度对力学性能的影响规律,对各组力学性能试验数据的平均值及其与原始态相比的变化幅度进行了统计,结果如表4所示。
表4 不同热处理温度下试验钛板力学性能平均值统计Table 4 Average statistics of mechanical properties of the tested titanium plates heat treated at different temperatures
由表4可以看出,采用600 ℃以上的温度进行热处理,原材料抗拉强度和规定非比例延伸强度下降的幅度差距均不大,在710 ℃热处理后规定非比例延伸强度下降略低,断面收缩率变化幅度最小,断后伸长率则会随着热处理温度的升高而提升,金属隔膜的翻转性能也会越好。
经分析,当TA1ELI纯钛板退火温度在590 ℃以上时,内部会出现明显的等轴晶,随温度升高,晶粒继续长大,等轴晶会不断增多,在670 ℃以下时,晶粒长大相对缓慢,当退火温度升高到670 ℃以上时,晶粒基本等轴化,长大速度加快,此时组织已完全再结晶,在700 ℃以上时,晶粒形态不再发生明显变化,仅晶粒尺寸增加,在730 ℃以上时,晶粒尺寸迅速长大粗化[9-10]。因此,TA1ELI纯钛板进行再结晶退火后,不仅消除了加工硬化现象,使得TA1ELI纯钛板抗拉强度及规定非比例延伸强度略有下降,达到了去应力效果,同时,在加热保温过程中,随温度升高,金属变形时产生的位错发生攀移,逐渐形成大角度晶界,并产生细小晶核,随温度进一步升高,位错、空位、残余应力以及变形不均匀部分消失,晶粒开始逐渐长大并等轴化[11],再结晶退火能让钛原子获得更多的热能,使塑性变形后的金属被拉长,晶粒重新生核、结晶,变为与变形前晶格结构相同的等轴新晶粒,提高TA1ELI纯钛板材料塑性、延展性和韧性,便于加工成形,避免后期加工过程中出现开裂、破坏等现象。
2.3 金属隔膜热处理
经上述试验与分析认为,TA1ELI纯钛板轧制后,进行600 ℃以上的真空热处理,可得到抗拉强度和断后伸长率均较高的力学性能。由于当TA1ELI纯钛板热处理温度高于700 ℃时,组织晶粒长大粗化,材料抗拉强度持续下降,若在钛板原始态基础上强度下降过多,对于抗拉强度和断后伸长率指标要求均较高的金属隔膜,会因强度不足而无法实现稳定翻转,因此金属隔膜焊接后的真空退火热处理参数,应在综合考虑设计指标要求的基础上进行选取。对金属隔膜零件710 ℃×2 h真空退火后取样,拉伸试验结果如表5所示,能够满足表3提出的指标要求。
表5 金属隔膜力学性能Table 5 Mechanical properties of the metal diaphragm
选两件隔膜分别采用610 ℃×2 h和710 ℃×2 h的真空退火工艺进行焊后处理,并完成翻转试验,从试验结果可以看出,隔膜均可完全翻转,采用710 ℃退火与610 ℃退火相比,隔膜翻转过程更加稳定,翻转后的曲面更加光滑(见图4),翻转性能更好。
图4 经不同工艺焊后热处理后金属隔膜翻转后状态Fig.4 Appearance of the metal diaphragm after different post weld heat treatment after inversion(a) 610 ℃×2 h; (b) 710 ℃×2 h
1) 与原始态相比,经610、660、710 ℃ 3种温度真空退火处理后,TA1ELI板材的抗拉强度、规定非比例延伸强度和断面收缩率均有所下降,断后伸长率有所提升。
2) TA1ELI钛板断后伸长率会随着热处理温度的升高而提升,采用710 ℃进行真空退火处理时,断后伸长率均可达到60%以上。
3) 通过热处理工艺研究,得到不同热处理制度对材料力学性能的影响,可根据产品实际的设计特性,制定合理的热处理工艺参数。对于抗拉强度和断后伸长率指标要求均较高的金属隔膜,应选用710 ℃×2 h的真空退火工艺,以得到力学性能符合设计要求的最终产品。
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