熱處理對航空緊固件用TC16鈦合金棒材組織性能的影響

TC16鈦合金是21世紀初中國在俄制BT16鈦合金成分設計基礎上開發的一種具有良好工藝塑性的鈦合金材料，屬于α+β兩相鈦合金，名義成分為Ti?3Al?5Mo?4.5V，相變點在840～880℃，β穩定系數為0.83，具有高塑性、高強度、良好淬透性、優異的冷鐓成型性，同時具有抗疲勞和焊接性能好，對應力集中敏感性小等優點。其中較低的Al提

高了合金的強度和熱強性，并可使其在退火和淬火狀態下具有良好的塑性，較高的Mo和V使得其淬火并時效熱處理后具有較高強度[1]。該合金不僅可以熱鐓成型還具有良好的冷鐓性能，是比較成熟的航天緊固件材料，目前廣泛用于航天設備上[2]，用于關鍵部件和重要部位的連接與裝配，一架中型飛機(如國產C919)所用的緊固件的總重量可占飛機總質量的5%~6%，可達200萬到300萬個[3]。圖1為TC16鈦合金緊固件及C919飛機。

TC16鈦合金常以冷鐓熱處理的方式進行強化，故要求材料在退火態具良好的塑性，固溶時效態具有較高的強度。對比俄制BT16鈦合金，國產TC16鈦合金具有與其相當的力學性能和工藝塑性，但是，冷鐓工藝還不夠成熟，無法實現量化生產。

研究表明，材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強度及組織有關。且不同退火及固溶時效工藝對其組織及性能影響較大[4]，因此，本文通過研究不同退火工藝及固溶時效工藝對TC16合金棒材組織、性能的影響規律，為緊固件用TC16合金國產化、批量化的研制及生產提供技術支持。

1、實驗材料和方法

1.1實驗材料

本次實驗所用材料是由寶雞鈦業股份有限公司經多次次真空自耗熔煉的TC16合金鑄錠，坯料經自由鍛＋精鍛、粗軋＋連軋等工序生產至?8.0mm線材盤圓，其α＋β/β相轉變溫度為856°C。圖2為TC16鈦合金?8.0mm棒材軋制態顯微組織，由圖2可以看出，棒材原始組織為細小的等軸初生＋馬氏體α′′＋β基體構成，原始β晶界已完全破碎，初生α相體積分數約為50%，且α相為短棒狀、針狀和顆粒狀。另外，顯微組織中存在少量片層狀的馬氏體α′′，這與軋制工藝及軋后冷卻方式有關。

2、實驗方法

在TC16鈦合金?8.0mm盤圓線材上取樣，按照表1中的實驗方案進行退火和固溶時效熱處理實驗，研究不同退火工藝和固溶時效工藝對棒材退火態及固溶時效態顯微組織和力學性能的影響，其中，FC為爐冷；AC為空冷；WQ為水淬。試樣經熱處理后依據GB/T228.1—2021《金屬材料室溫拉伸實驗方法》加工、檢測室溫力學性能，依據GB/T5168—2020《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》中的方法加工、腐蝕后，并檢測、分析其顯微組織。

其中方案A1～A4研究不同退火溫度對棒材退火后顯微組織及室溫力學性能的影響，方案B1～B3研究不同固溶溫度對棒材固溶時效態組織性能的影響，方案B2、B4、B5、B6研究不同時效溫度對棒材固溶時效態組織性能的影響。

3、實驗結果與分析

退火溫度對TC16鈦合金棒材組織性能的影響

3.1退火溫度對TC16鈦合金組織的影響

圖3為TC16鈦合金棒材不同退火溫度隨爐冷卻后的顯微組織，由圖3可以看出隨退火溫度的升高，顯微組織中初生α相的含量逐漸減少，晶粒逐漸長大。圖3(a)和3(b)分別為試樣在760和780°C退火后的顯微組織，為α相和β相組成的彌散混合組織，平均晶粒大小為1.22μm。圖3(c)和3(d)分別為試樣在800和820°C退火后的顯微組織，由等軸初生α相與局部片層狀的次生α′′相及β基體組成，與圖3(a)和3(b)相比，圖3(c)和3(d)中的晶粒明顯長大，局部出現少量片層組織，平均晶粒尺寸由原來的1.22增加至1.33μm。

3.2退火溫度對TC16鈦合金性能的影響

圖4為不同退火溫度對TC16鈦合金棒材室溫性能的影響。

由圖4可以看出，隨退火溫度的升高(隨后慢冷)棒材抗拉強度、屈服強度、剪切強度均逐漸降低，伸長率逐漸升高，斷面收縮率先升高再降低。

原因為在α＋β兩相區退火時棒材發生了回復與再結晶，退火溫度越高再結晶后晶粒越粗大，棒材強度越低。在780°C時棒材抗拉強度達到了840MPa，斷面收縮率達到了最大值74%，研究表明斷面收縮率與材料冷鐓性能成正相關，因此，在選擇TC16鈦合金退火工藝參數時要充分考慮到這一點，兼顧材料強度與塑性，特別是保證TC16鈦合金棒材的供貨狀態工藝性能—冷鐓性能[5]，因此，TC16合金棒材最佳退火制度為780°C保溫2h，以2～4°C/min爐冷至550°C以下，空冷。

固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態組織和性能的影響

3.3固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態組織的影響

圖5為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織，圖中白色顆粒為初生α相，黑色部分為β基體(包括淬火保留下來的亞穩定β相和α′′相)。由圖5(a)～5(c)可以看出，提高TC16鈦合金棒材在α＋β相區淬火加熱溫度，其顯微組織中初生α相含量減少，β相含量增加，淬火后發生了亞穩定β相向α′′相轉變。隨固溶溫度的升高，棒材固溶后淬火時保留的亞穩定相β相和α′′含量就越多，隨后時效的強化效果也就越明顯。圖5(c)較圖5(a)和(b)其初生α相含量明顯減少，時效析出的針狀第二相含量增多。

固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效后性能的影響

圖6所示為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材室溫力學性能，可以看出，隨著固溶溫度升高，棒材固溶時效態的抗拉強度、屈服強度、剪切強度均升高，伸長率降低，斷面收縮率先升高再降低。在800°C時棒材斷面收縮率達到了最高值74%，抗拉強度達到了1098MPa，剪切強度達758MPa，強度與塑性達到了最佳匹配，故TC16鈦合金棒材的最佳固溶制度為800°C保溫2h，水淬。

時效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態組織性能的影響

時效溫度對TC16鈦合金棒材組織的影響圖7所示為不同時效溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織，由圖7可以看出，隨著時效溫度升高，固溶過程中保留的亞穩定β相轉變而形成的質點的彌散程度也各不相同，520°C時效從亞穩定β相分解的第二相比較彌散，如圖7(a)所示。隨著時效溫度的升高，彌散析出的第二相質點開始聚集，如圖7(c)和7(d)所示，研究表明TC16鈦合金亞穩定相分解從350～400°C開始，500°C時效后亞穩定β相完全分解，但穩定化β相的鉬、釩含量比在較低溫度下得到平衡的β相的少[1]。

3.4時效溫度對TC16鈦合金棒材性能的影響

圖8為時效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態室溫力學性能的影響，由圖8可以看出，隨著時效溫度的升高，棒材的抗拉強度、屈服強度、剪切強度逐漸降低，伸長率逐漸升高，斷面收縮率先升高后降低。這是因為時效時亞穩定β相分解引起時效強化，但隨著固溶溫度從520升高至580°C彌散析出的質點發生了較大程度的聚集，使得強度逐漸降低，塑性升高。時效溫度為560°C時棒材的斷面收縮率達到了最高值74%，抗拉強度達到了1098MPa，剪切強度達到了758MPa。因此，800°C固溶后經560°C保溫8h時效，可以使TC16鈦合金棒材強度和塑性達到最佳匹配。

4、結論

(1)TC16鈦合金棒材在退火后以2～4°C/min爐冷的冷卻速度不變的情況下，隨退火溫度的升高，組織中初生α相含量減少、平均晶粒尺寸增加，棒材的抗拉強度、屈服強度、剪切強度均降低，伸長率略有升高，斷面收縮率先升高后降低。780°C退火后棒材的斷面收縮率達到了最高值。

(2)在時效溫度不變的情況下，隨固溶溫度的升高，TC16合金棒材固溶時效后組織中初生α相含量減少，次生相含量增加，室溫拉伸強度、剪切強度升高，伸長率降低，斷面收縮率先升高再降低，在800°C時達到了最高值。

(3)在固溶溫度不變的情況下，隨著時效溫度的升高，TC16合金棒材組織中的彌散析出的第二相開始聚集，室溫拉伸強度、剪切強度降低，伸長率升高，斷面收縮率先升高再降低。經“800°C保溫2h，水淬＋560°C保溫8h，空冷”固溶時效處理后棒材抗拉強度達到了1100MPa，斷面收縮率達到了74%，強度和塑性達到了最佳匹配，為TC16鈦合金棒材的最佳固溶時效制度。

參考文獻

[1]鮑利索娃EA.陳石卿譯.鈦合金金相學.北京:國防工業出版社,1986

[2]石建華.TC16鈦合金熱處理與冷鐓變形行為研究[學位論文].大連:大連理工大學,2012

[3]張利軍,王幸運,郭啟義,等.鈦合金材料在我國航空緊固件中的應用.航空制造技術,2013(16)：129

[4]李英浩,賀飛,侯峰起,等.熱處理對TC16鈦合金棒材顯微組織和力學性能的影響.鈦工業進展,2014，31(04)：20

[5]邵軍,陶海林,王農.熱處理工藝對TC16鈦合金棒材性能的影響.鈦工業進展,2012，29(03)：32

作者簡介：黃帆(1987—)，男，陜西寶雞人，工程師，從事有色金屬研究工作多年。主要研究方向：鈦及鈦合金塑性加工成型機熱處理。E-mail：huangfanbaoti@163.com。