緊固件用 Ti-45Nb合金熱處理工藝研究

王新南,朱知壽,商國強,童 路,張豐收,龔少梅

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超導(dǎo)材料科技有限公司,陜西 西安 710018) (3.中國航空工業(yè)標準件制造有限責任公司,貴州 貴陽 550014)

緊固件用 Ti-45Nb合金熱處理工藝研究

王新南1,朱知壽1,商國強1,童 路1,張豐收2,龔少梅3

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超導(dǎo)材料科技有限公司,陜西 西安 710018) (3.中國航空工業(yè)標準件制造有限責任公司,貴州 貴陽 550014)

研究了真空退火熱處理工藝對 Ti-45Nb合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:Ti-45Nb合金的β晶粒隨退火溫度的提高而長大;隨著退火溫度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切強度的變化不明顯;當退火溫度為 810℃時,合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強度與剪切強度的良好匹配。

Ti-45Nb合金;緊固件;退火處理;力學(xué)性能

1 前 言

先進飛機上鈦合金與復(fù)合材料的用量越來越大,而作為復(fù)合材料和鈦合金的連接件,鈦合金緊固件的大量應(yīng)用也是飛機先進性的一個重要體現(xiàn)。近年來,鈦合金緊固件代替較重的鋼制緊固件,減重效果非常明顯,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于近代航空航天的機械連接結(jié)構(gòu)中,從而進一步減輕飛機的質(zhì)量、提高連接部件的可靠性以延長飛機的設(shè)計使用壽命[1-2]。例如,如波音 747飛機緊固件以鈦代鋼后,其結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1 814 kg,一架俄羅斯的伊爾 -96飛機用鈦緊固件 14.2萬件,可減少質(zhì)量 600 kg。

又由于鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,特別是它的正電位性能恰好與碳纖維復(fù)合材料相匹配,有效地防止了緊固件的電偶腐蝕。這一特性是任何其他材料所無法取代的,這也是鈦合金緊固件迅速發(fā)展、用量逐年增加的另一個原因[3-6]。

Ti-45Nb合金在退火態(tài)具有較好的拉伸性能(441～490M Pa)、剪切強度 (365M Pa)和高的塑性(延伸率 10%,斷面收縮率 50%),適合用于制造復(fù)合材料的鉚釘連接件。在用于鉚釘材料的鈦合金材料中,鈦鈮鉚釘和純鈦鉚釘比較容易鉚接成形。鈦鈮合金的剪切強度、抗拉強度均高于純鈦,而且變形抗力低于純鈦,因此美國在航空航天產(chǎn)品中全部改用冷加工性能優(yōu)異的鈦鈮鉚釘。

本文研究了不同熱處理工藝對緊固件用 Ti-45Nb合金組織和性能的影響,為我國制定 Ti-45Nb合金絲材和鉚釘?shù)臒崽幚砉に囂峁├碚摵蛯嶒炓罁?jù)。

2 實驗材料與方法

實驗用原材料來源于西部超導(dǎo)材料科技有限公司生產(chǎn)的 φ4 mm冷態(tài)絲材,其名義成分為 Ti-45Nb。通過線切割的方法截取若干組試樣,進行真空退火處理,退火溫度分別為 750,780,810, 840,870,900℃,退火時間均為 1 h。經(jīng)退火后的試樣進行拉伸性能和剪切性能測試。采用配比為1HF-2HNO3-5H2O(體積分數(shù))的腐蝕液對金相試樣進行腐蝕;利用 JEOL JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察和分析;在電子萬能試驗機上檢測合金經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 退火溫度對合金拉伸性能的影響

圖1為在不同溫度下真空退火后的 φ4mm的 Ti -45Nb絲材的力學(xué)性能。由圖1可以看出,隨著退火溫度的升高,合金的抗拉強度和屈服強度整體呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢,這與真空退火后的隨爐冷卻方式導(dǎo)致二次相析出有關(guān)。退火溫度為 780℃時,合金的強度略微有所下降,但是合金的強度在整個退火溫度區(qū)間內(nèi)的增加幅度不是很明顯,其抗拉強度和屈服強度分別穩(wěn)定在 510～540 M Pa以及 480～500M Pa之間;同時,合金的斷面收縮率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,而延伸率無明顯變化。

圖1 不同退火溫度下 Ti-45Nb合金的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.2 不同退火溫度對合金剪切性能的影響

Ti-45Nb棒材經(jīng)不同溫度退火處理后的剪切性能如圖2所示。從圖2可以看出,隨著退火溫度的升高,合金的剪切強度逐漸升高,從750℃時的407M Pa提高到900℃時的 426M Pa。經(jīng)不同溫度退火處理的合金均獲得了較高的剪切強度。

圖2 不同退火溫度下 Ti-45Nb合金的剪切性能Fig.2 Shear properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.3 不同退火溫度對合金顯微組織的影響

Ti-45Nb棒材在真空退火條件下經(jīng)不同溫度退火處理后的顯微組織如圖3所示?？梢钥闯?當退火溫度分別為 750℃和 900℃時,其顯微組織均為等軸β晶粒,這與 Ti-Nb相圖[7]的相組成結(jié)果相一致,只是其晶粒大小有所不同。通過測定可以得出,當退火溫度為750℃時,其β晶粒大小為34.6μm,當退火溫度升高到900℃,其β晶粒大小增大到54.1μm。同時可以看出,當退火溫度為810℃時,合金的顯微組織比較細小且均勻;而當退火溫度升高到840℃時,合金的β晶粒發(fā)生了比較明顯的長大。對比合金的力學(xué)性能,可以得出,Ti-45Nb合金的力學(xué)性能并沒有隨著合金晶粒的長大而發(fā)生明顯的變化,且退火溫度為810℃時,合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強度與剪切強度的良好匹配。

圖3 Ti-45Nb合金經(jīng)不同溫度退火后的掃描電鏡照片:(a)750℃;(b)810℃;(c)840℃;(d)900℃Fig.3 SEM micrographs of the Ti-45Nb allog after heat treated at different temperature:(a)750℃;(b)810℃; (c)840℃;(d)900℃

3.4 緊固件用 Ti-45Nb合金應(yīng)用實例

Ti-45Nb合金在真空退火狀態(tài)下具有較好的拉伸性能、剪切強度和高的塑性,同時還具有十分優(yōu)良的冷鐓性能,可以冷鐓成復(fù)雜形狀鐓頭的鉚釘。圖4為課題組試制的不同規(guī)格 Ti-45Nb合金冠狀鉚釘和 100°沉頭鉚釘。

圖4 不同規(guī)格的 Ti-45Nb合金鉚釘:(a)冠狀鉚釘;(b)100°沉頭鉚釘Fig.4 Ti-45Nb alloy rivets with different specification:(a)coronary rivet;(b)100°sunk rivets

4 結(jié) 論

(1)Ti-45Nb合金的β晶粒隨退火溫度的提高而長大。當退火溫度由750℃升高到900℃時,其β晶粒大小由 34.6μm增大到 54.1μm,但并沒有使得合金的力學(xué)性能發(fā)生明顯變化。

(2)隨著退火溫度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切強度變化不明顯。

(3)當退火溫度為810℃時,合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強度與剪切強度的良好匹配。

[1]張樹啟.緊固件用高強度鈦合金的發(fā)展[J].鈦工業(yè)進展,1998,15(5):1-3.

[2]顧中灼.鈦β合金緊固件研究[J].航空標準化與質(zhì)量, 1999(2):17-20.

[3]張慶玲,王慶如,李興無.航空用鈦合金緊固件選材分析[J].材料工程,2007(1):11-14.

[4]趙慶云,劉風雷,劉華東.世界先進航空緊固件進展[J].航空制造技術(shù),2009(3):54-56.

[5]劉風雷.我國航空鈦合金緊固件的發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2000(6):39-40.

[6]程敏.金屬鈦及其應(yīng)用[M].趙克德,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1989.

[7]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Study on Heat Treatment Processing of Ti-45Nb Alloy Used in Fastener

Wang Xinnan1,Zhu Zhishou1,Shang Guoqiang1,Tong Lu1,Zhang Fengshou2,Gong Shaomei3
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) (2.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China) (3.China Aviation Industry Standard Parts Manufacturing Co.,Ltd.,Guiyang 550014,China)

The effect of vacuum annealing heat treatment processing on the microstructures and mechanical properties of Ti - 45Nb alloy was investigated. The results show that, with annealing temperature increasing, the β grains increase gradually. The tensile properties and shear strength do not changed obviously with the increment of annealing temperature. Meanwhile, the better comprehensive performance of tensile and shear strength was obtained using annealing temperature at 810℃.

Ti-45Nb alloy;fastener;annealing;mechanical properties

2010-03-23

國家自然科學(xué)基金資助項目 (59493300);教育部博士點基金資助項目 (9800462)

王新南 (1980-),女,碩士,工程師,電話:010-62496630;E-m ail:nansm ily@126.com。