熱處理對(duì)航空緊固件用TC16鈦合金棒材組織性能的影響

供稿|黃帆，海敏娜，孫虎代，張偉，陶海林 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

TC16 鈦合金因其具有密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、耐蝕腐蝕、耐高溫，無磁性、退火態(tài)具有優(yōu)異的塑性和加工成型性，固溶時(shí)效態(tài)具有高強(qiáng)、高韌等性能，常被鐓制成鉚釘、螺釘、螺母等緊固件應(yīng)用在航空、航天設(shè)備上。文章研究了不同退火工藝、固溶時(shí)效工藝對(duì)緊固件用TC16 合金φ8.0 mm棒材組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，最終確定TC16 合金的最佳熱處理制度，為緊固件用TC16 合金的國產(chǎn)、自主可控化研制及生產(chǎn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

TC16 鈦合金是21 世紀(jì)初中國在俄制BT16 鈦合金成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)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(diǎn)在840～880 °C，β 穩(wěn)定系數(shù)為0.83，具有高塑性、高強(qiáng)度、良好淬透性、優(yōu)異的冷鐓成型性，同時(shí)具有抗疲勞和焊接性能好，對(duì)應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)。其中較低的Al 提高了合金的強(qiáng)度和熱強(qiáng)性，并可使其在退火和淬火狀態(tài)下具有良好的塑性，較高的Mo 和V 使得其淬火并時(shí)效熱處理后具有較高強(qiáng)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(shè)備上[2]，用于關(guān)鍵部件和重要部位的連接與裝配，一架中型飛機(jī)(如國產(chǎn)C919)所用的緊固件的總重量可占飛機(jī)總質(zhì)量的5%～6%，可達(dá)200 萬到300 萬個(gè)[3]。圖1 為TC16鈦合金緊固件及C919 飛機(jī)。

TC16 鈦合金常以冷鐓熱處理的方式進(jìn)行強(qiáng)化，故要求材料在退火態(tài)具良好的塑性，固溶時(shí)效態(tài)具有較高的強(qiáng)度。對(duì)比俄制BT16 鈦合金，國產(chǎn)TC16 鈦合金具有與其相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和工藝塑性，但是，冷鐓工藝還不夠成熟，無法實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)。研究表明，材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強(qiáng)度及組織有關(guān)。且不同退火及固溶時(shí)效工藝對(duì)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(shí)效工藝對(duì)TC16 合金棒材組織、性能的影響規(guī)律，為緊固件用TC16 合金國產(chǎn)化、批量化的研制及生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)所用材料是由寶雞鈦業(yè)股份有限公司經(jīng)多次次真空自耗熔煉的TC16 合金鑄錠，坯料經(jīng)自由鍛+精鍛、粗軋+連軋等工序生產(chǎn)至φ8.0 mm 線材盤圓，其α+β/β 相轉(zhuǎn)變溫度為856 °C。圖2 為TC16 鈦合金φ8.0 mm 棒材軋制態(tài)顯微組織，由圖2可以看出，棒材原始組織為細(xì)小的等軸初生+馬氏體α′′+β 基體構(gòu)成，原始β 晶界已完全破碎，初生α 相體積分?jǐn)?shù)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(guān)。

實(shí)驗(yàn)方法

在TC16 鈦合金φ8.0 mm 盤圓線材上取樣，按照表1 中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行退火和固溶時(shí)效熱處理實(shí)驗(yàn)，研究不同退火工藝和固溶時(shí)效工藝對(duì)棒材退火態(tài)及固溶時(shí)效態(tài)顯微組織和力學(xué)性能的影響，其中，F(xiàn)C 為爐冷；AC 為空冷；WQ 為水淬。試樣經(jīng)熱處理后依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》加工、檢測(cè)室溫力學(xué)性能，依據(jù)GB/T5168—2020《α-β 鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》中的方法加工、腐蝕后，并檢測(cè)、分析其顯微組織。

表1 TC16 鈦合金棒材熱處理實(shí)驗(yàn)方案

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

退火溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材組織性能的影響

退火溫度對(duì)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(zhǎng)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1.22 μm。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(zhǎng)大，局部出現(xiàn)少量片層組織，平均晶粒尺寸由原來的1.22 增加至1.33 μm。

退火溫度對(duì)TC16 鈦合金性能的影響

圖4 為不同退火溫度對(duì)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均逐漸降低，伸長(zhǎng)率逐漸升高，斷面收縮率先升高再降低。原因?yàn)樵讦?β 兩相區(qū)退火時(shí)棒材發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶，退火溫度越高再結(jié)晶后晶粒越粗大，棒材強(qiáng)度越低。在780 °C 時(shí)棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了840 MPa，斷面收縮率達(dá)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(guān)，因此，在選擇TC16 鈦合金退火工藝參數(shù)時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)，兼顧材料強(qiáng)度與塑性，特別是保證TC16 鈦合金棒材的供貨狀態(tài)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2 h，以2～4 °C/min 爐冷至550 °C 以下，空冷。

固溶溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材固溶時(shí)效態(tài)組織和性能的影響

固溶溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材固溶時(shí)效態(tài)組織的影響

圖5 為不同固溶溫度固溶時(shí)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(wěn)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(qū)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(fā)生了亞穩(wěn)定β 相向α′′相轉(zhuǎn)變。隨固溶溫度的升高，棒材固溶后淬火時(shí)保留的亞穩(wěn)定相β 相和α′′含量就越多，隨后時(shí)效的強(qiáng)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(shí)效析出的針狀第二相含量增多。

固溶溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材固溶時(shí)效后性能的影響

圖6 所示為不同固溶溫度固溶時(shí)效處理后的TC16 鈦合金棒材室溫力學(xué)性能，可以看出，隨著固溶溫度升高，棒材固溶時(shí)效態(tài)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均升高，伸長(zhǎng)率降低，斷面收縮率先升高再降低。在800 °C 時(shí)棒材斷面收縮率達(dá)到了最高值74%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)758 MPa，強(qiáng)度與塑性達(dá)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2 h，水淬。

時(shí)效溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材固溶時(shí)效態(tài)組織性能的影響

時(shí)效溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材組織的影響

圖7 所示為不同時(shí)效溫度固溶時(shí)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(shí)效溫度升高，固溶過程中保留的亞穩(wěn)定β 相轉(zhuǎn)變而形成的質(zhì)點(diǎn)的彌散程度也各不相同，520 °C 時(shí)效從亞穩(wěn)定β 相分解的第二相比較彌散，如圖7(a)所示。隨著時(shí)效溫度的升高，彌散析出的第二相質(zhì)點(diǎn)開始聚集，如圖7(c)和7(d)所示，研究表明TC16鈦合金亞穩(wěn)定相分解從350～400 °C 開始，500 °C時(shí)效后亞穩(wěn)定β 相完全分解，但穩(wěn)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]。

時(shí)效溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材性能的影響

圖8 為時(shí)效溫度對(duì)TC16 鈦合金棒材固溶時(shí)效態(tài)室溫力學(xué)性能的影響，由圖8 可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高，棒材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率逐漸升高，斷面收縮率先升高后降低。這是因?yàn)闀r(shí)效時(shí)亞穩(wěn)定β 相分解引起時(shí)效強(qiáng)化，但隨著固溶溫度從520 升高至580 °C 彌散析出的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了較大程度的聚集，使得強(qiáng)度逐漸降低，塑性升高。時(shí)效溫度為560 °C 時(shí)棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值74%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)到了758 MPa。因此，800 °C 固溶后經(jīng)560 °C 保溫8 h 時(shí)效，可以使TC16 鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳匹配。

結(jié)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均降低，伸長(zhǎng)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(dá)到了最高值。

(2)在時(shí)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(shí)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(qiáng)度、剪切強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率降低，斷面收縮率先升高再降低，在800 °C 時(shí)達(dá)到了最高值。

(3)在固溶溫度不變的情況下，隨著時(shí)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(qiáng)度、剪切強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率升高，斷面收縮率先升高再降低。經(jīng)“800 °C 保溫2 h，水淬+560 °C 保溫8 h，空冷”固溶時(shí)效處理后棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1100 MPa，斷面收縮率達(dá)到了74%，強(qiáng)度和塑性達(dá)到了最佳匹配，為TC16 鈦合金棒材的最佳固溶時(shí)效制度。