隨著鈦合金在航空航天上用量的不斷增大，鈦合金緊固件的用量也在進(jìn)一步增加，目前世界各國(guó)在飛行器上的應(yīng)用主要有兩個(gè)體系，美國(guó)等國(guó)家一般采用 TC4 鈦合金制造緊固件，俄羅斯采用 BT16（國(guó)內(nèi)相近牌號(hào)為 TC16）鈦合金。TC4 屬于α+β兩相合金，采用該合金制造緊固件必須使用熱墩工藝，在經(jīng)過(guò)真空固溶時(shí)效處理，生產(chǎn)成本較高效率較低，另外由于該合金 Kβ穩(wěn)定系數(shù)只用 0.27，淬透性差，相應(yīng)緊固件尺寸也受到了限制。而 TC16鈦合金是一種富β相馬氏體型α+β兩相鈦合金，名義成分為 Ti-3Al-5Mo-4.5V，鋁含量較低，β穩(wěn)定元素 Mo 和 V 含量較多，Kβ穩(wěn)定系數(shù)為 0.83，大于 TC4，退火狀態(tài)下合金約有25~30%β相，因而退火態(tài)具有較好的工藝塑性。TC16鈦合金具有高塑性、高強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、良好淬透性，同時(shí)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)，顯著提高了緊固件的使用壽命，且該合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后強(qiáng)度可達(dá) 1030MPa 以上，因此該合金常采用冷鐓成形方法制造螺栓、螺釘和鉚釘緊固件的加工制造等，是制造航空緊固件最理想的材料之一[1，2]。
熱處理工藝是保證TC16鈦合金棒材工藝性能的重要因素，也是TCl6鈦合金高性能的保證。本文分析了不同固溶溫度和時(shí)效溫度下 TC16鈦合金型材的顯微組織，并通過(guò)室溫力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)試了不同固溶和時(shí)效處理對(duì) TC16鈦合金型材強(qiáng)度和塑性的影響規(guī)律。
1 、實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)材料選用規(guī)格為新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司S8mm 的 TC16鈦合金六角棒。該棒材選用小顆粒 0 級(jí)海綿鈦，由真空自耗電弧爐3次熔煉為 Φ720mm 鑄錠，經(jīng)β相 區(qū)開(kāi)坯、α+β兩相區(qū)鍛造、兩火次熱軋、冷軋等工序后獲得。鈦合金相變點(diǎn)指的是熱加工過(guò)程中α+β兩相組織向β相轉(zhuǎn)變的過(guò)程，是制定熱處理工藝的重要依據(jù)[3]，通過(guò)金 相法測(cè)得其相變點(diǎn)為 875℃。其化學(xué)成分如表 1 所示。
研究表明，退火處理可以使 TC16鈦合金棒材獲得較低的強(qiáng)度和很高的塑性[4]，顯著降低冷軋和冷鐓變形抗力，在熱軋后進(jìn)行了退火消除殘余應(yīng)力，軟化合金，改善綜合性能，采用的退火制度為 780℃ 2h.FC 至 580℃ .AC。對(duì) TC16合金冷軋后的六角棒取樣，按照表 2 所定的固溶 + 時(shí)效熱處理方案進(jìn)行熱處理，然后加工成為試樣，采用 Olympus Pmg3 金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，通過(guò) Instron 拉伸試驗(yàn)機(jī)按照 GB/T228 金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法測(cè)試其室溫拉伸性能。拉伸試樣采用 R7 的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。金相腐蝕劑采用 ：HF ：HNO3 ：H2O=1 ：3 ：7 配比溶液。
2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
2.1 熱處理對(duì) TC16鈦合金棒材顯微組織的影響TC16鈦合金棒材熱軋后進(jìn)行退火處理，退火制度為 ：780℃保溫 2h 后開(kāi)始以 2~4℃ /min 爐冷降溫至 580℃ 后空冷，取樣觀察其組織如圖 1 所示，為均勻的α+β兩相組織，組織由初生α 相、細(xì)小的次生α 相以及β相組成，晶粒尺寸較小。
圖 2 為 TC16 鈦 合 金 六 角 棒 在 不 同 溫 度 固 溶 經(jīng)570℃ /8h，AC 時(shí)效后的顯微組織照片。由圖 1 可見(jiàn)看出，經(jīng)α+β兩相區(qū)固溶 + 時(shí)效處理后，棒材的的顯微組織為均 勻細(xì)小的等軸組織。隨著固溶溫度的升高，初生α 相晶粒尺寸略有有長(zhǎng)大，初生α 相不斷溶解、減少，初生α 相含量由 760℃固溶處理的 37.5% 左右，降低到 840℃固溶處理的14.5% 左右，在 820℃以上β相區(qū)產(chǎn)生 a" 馬氏體。試樣在820℃以下固溶時(shí)，顯微組織為初生α 相和亞穩(wěn)定β相組成，固溶穩(wěn)定達(dá)到 820℃時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)β相不能穩(wěn)定下來(lái)，在水介質(zhì)中的快速冷卻過(guò)程中，產(chǎn)生 a" 馬氏體轉(zhuǎn)變，組織內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn) a" 馬氏體，隨著溫度升高，在 840℃時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)β相大量轉(zhuǎn)化成 a" 馬氏體[5]。
圖 3 是 TC16鈦合金六角棒在 800℃ /2h，WC 固溶處理后在不同時(shí)效溫度下的顯微組織照片。由圖 3 可以看出，經(jīng)α+β兩相區(qū)固溶 + 時(shí)效處理后，棒材的顯微組織為均勻 細(xì)小的等軸組織，但隨著時(shí)效溫度的升高，有彌散顆粒析出，初生α 相晶粒尺寸較小，在 570℃時(shí)初生α 含量最大，由550℃時(shí)效處理的 31.2% 增加到 570℃的 37.9%，整體變化幅度不大。
2.2 熱處理對(duì) TC16鈦合金棒材力學(xué)性能的影響
固溶溫度對(duì) TC16鈦合金棒材性能的影響見(jiàn)圖 4，隨著固溶溫度的升高，抗拉強(qiáng)度 Rm 和屈服強(qiáng)度 Rp0.2 均先降后升，在固溶溫度為 780℃時(shí)出現(xiàn)低谷，延伸率和斷面收縮率 先升后降，在 780℃ ~800℃時(shí)達(dá)到最高值，在 840℃時(shí)降低較為明顯。選擇 800℃作為固溶熱處理制度時(shí)，可以保證強(qiáng)度和塑形的良好匹配。
時(shí)效溫度對(duì)TC16鈦合金棒材性能的影響見(jiàn)圖5，隨著時(shí)效溫度的升高，抗拉強(qiáng)度 Rm 和屈服強(qiáng)度 Rp0.2 下降，延伸率 A 和斷面收縮率 Z 略有提高，變化幅度不大。主要是因 為時(shí)效時(shí)有彌散顆粒析出，溫度較低時(shí)，顆粒尺寸較小而分散度大，此時(shí)合金的強(qiáng)度較高，而塑性偏低，隨著時(shí)效溫度的提高析出顆粒逐步長(zhǎng)大，合金的強(qiáng)度就逐步降低，而塑性 則不斷提高，因此在 570℃附近時(shí)效，則可以在保證塑性的同時(shí)有較高的強(qiáng)度。
3 、結(jié)論
（1）隨著固溶溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均先降后升，在固溶溫度為 800℃時(shí)出現(xiàn)低谷，在 780℃ ~800℃時(shí)達(dá)到最高值，斷面收縮率，變化不大，在 840℃時(shí)略有降低。
（2）隨著時(shí)效溫度的提高，抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rp0.2有所下降，延伸率 A 和斷面收縮率 Z 略有提高，但總的變化幅度不大。
（3）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，綜合組織觀察與性能檢測(cè)的結(jié)果，選擇 800℃ /2h，WC+580℃ /8h，AC 的制度進(jìn)行熱處理，可以得到強(qiáng)塑性匹配較好的棒材。
參考文獻(xiàn)：
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