与热时效相比，振动时效拥有时效后材料表面无氧化、生产效率高、成本低、环境适应性强等特点，在复杂钛合金制品的残余应力降低方面有着不可替代的优势。目前针对钛合金的残余应力研究多集中于使用单一检测手段表征锻态材料的切削或焊接过程残余应力，对铸态材料切削过程的残余应力积累与振动时效、热时效比对鲜有研究。本文通过测量不同切削量加工、不同时效方式处理后的ZTC4钛合金板块残余应力，比对分析了不同切削量和时效方式对ZTC4残余应力的影响，为钛合金铸件制品在工程化生产中的残余应力控制提供支持。

试验材料与方法

试验材料为6块铣床加工的ZTC4铸态钛合金板块，规格为δ30mm×100mm×100mm。化学成分(质量分数，%)为，Al6.10,V3.90,Fe0.143,C0.012,N0.01,

H0.0011,O0.146。原始组织为粗大晶粒的铸态组织，低倍组织如图1所示。超声波探伤等级满足GB/T5193-2020《钛及钛合金加工产品超声检验方法》A级要求，内部无缺陷，在进行实验前经去应力热时效预处理，时效制度为700℃/40minAC。

图 1 试验用 ZTC4 钛合金板块低倍组织

对板块分别编号1#—6#,分为三组，使用立式铣床按组进行切削加工，每组间切削量按一定值递减。对同一切削量的板块分别进行振动时效或热时效，在板块原料热时效、立铣切削加工及最终去应力时效后分别使用超声波法测量残余应力。具体试验方案见表1,切削加工参数见表2。

试验结果与分析

原料板块经热时效处理去应力后残余应力数值为，1#板块90.0MPa，2#板块88.5MPa，3#板块97.0MPa，4#板块96.0MPa，5#板块105.5MPa，6#板块106.5MPa。可见经热时效去应力的板块残余应力均为正值，即拉应力，数值大小介于88.5MPa至106.5MPa。这是因为，试验所用原料板块为铸锭机加工制得，铸锭在熔炼冷却过程中内外层冷却速度存在差异，铸锭各部位在不同冷速作用下收缩不均匀。与铸锭内层相比，外层冷却速度较高，体积收缩量较大，内层受到外层体积收缩的影响受拉为拉应力状态，铸锭完全冷却后最终体现为内层拉应力状态，外层压应力状态。本次实验所用板块原料来源在铸锭内部，后续切削机加加工过程引入的压应力无法完全抵消材料的拉应力，因此热时效后材料残余应力为拉应力。

不同切削量加工前后板块残余应力见表3。可见切削加工后板块残余应力均为压应力，这表明切削加工中较大压应力的引入抵消了板块中残余的拉应力，导致残余应力方向改变。比对应力变化与切削量数值大小，可知两者呈正相关。

切削量引入应力平均值、增长量的关系如图3所示。分析可知，试验条件下，5mm切削量即可引入约200MPa残余压应力，随着切削量的增加引入应力增长幅度小。

试验板块时效前后残余应力及应力变化见表4。

分析可知，在试验条件下，时效前残余应力数值越大，时效所能去除的应力越多，应力去除率越高，振动时效及热时效对ZTC4钛合金的去应力效果相当且与时效前残余应力量的数值大小成正相关。

热时效采用加热去应力后空冷的方式进行，冷却过程中会引入一定的压应力，且工件厚度越大，引入压应力越高。由于本次试验热时效制度非完全再结晶退火，不能完全去除残余应力，所以检测结果为时效后残余应力与冷却过程压应力的叠加值，测量残余应力值越低，冷却压应力占比越大，导致应力去除率越低。

结论

(1)通过切削加工引入残余应力数值与切削量呈正相关，试验条件下5mm切削量即可引入约200MPa残余压应力，随着切削量的增加引入应力增长幅度小。

(2)试验条件下振动时效及热时效对ZTC4钛合金的去应力效果相当。

(3)对于振动时效及热时效，时效前残余应力数值越大，时效所能去除的应力越多，应力去除率越高。