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熱處理對(duì)航空緊固件用TC16鈦合金棒材組織性能的影響

發(fā)布時(shí)間: 2023-07-03 11:40:30    瀏覽次數(shù):

TC16鈦合金是21世紀(jì)初中國(guó)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℃,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(guó)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(wàn)到300萬(wàn)個(gè)[3]。圖1為TC16鈦合金緊固件及C919飛機(jī)。

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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(guó)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(wú)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(guò)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(guó)產(chǎn)化、批量化的研制及生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1、實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1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?8.0mm線材盤圓,其α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為856°C。圖2為TC16鈦合金?8.0mm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)。

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2、實(shí)驗(yàn)方法

在TC16鈦合金?8.0mm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/T228.1—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。

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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。

3、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

3.1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1.22μm。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(zhǎng)大,局部出現(xiàn)少量片層組織,平均晶粒尺寸由原來(lái)的1.22增加至1.33μm。

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3.2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。

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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)樵讦粒聝上鄥^(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840MPa,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2h,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

3.3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(lái)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。

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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1098MPa,剪切強(qiáng)度達(dá)758MPa,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2h,水淬。

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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(guò)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]。

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3.4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1098MPa,剪切強(qiáng)度達(dá)到了758MPa。因此,800°C固溶后經(jīng)560°C保溫8h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。

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4、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2h,水淬+560°C保溫8h,空冷”固溶時(shí)效處理后棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1100MPa,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。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑利索娃EA.陳石卿譯.鈦合金金相學(xué).北京:國(guó)防工業(yè)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(xué)位論文].大連:大連理工大學(xué),2012

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

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

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

作者簡(jiǎn)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(jī)熱處理。E-mail:huangfanbaoti@163.com。

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