TC16鈦合金是(shi)21世紀初(chu)中國(guo)在(zai)俄(e)制BT16鈦(tai)合(he)金成(cheng)分(fen)設計基礎(chu)上開發的一(yi)種具有(you)良好工藝塑性(xing)的鈦(tai)合(he)金材料(liao)，屬于α+β兩相(xiang)鈦(tai)合(he)金，名義(yi)成(cheng)分(fen)為Ti?3Al?5Mo?4.5V，相(xiang)變點在(zai)840～880℃，β穩定系(xi)數為0.83，具有(you)高塑性(xing)、高強(qiang)度、良好淬(cui)透性(xing)、優異的冷鐓成(cheng)型性(xing)，同時(shi)具有(you)抗疲(pi)勞和(he)焊接性(xing)能好，對應力(li)集中敏感性(xing)小等優點。其中較低的Al提

高(gao)了合金的(de)(de)(de)強(qiang)度和熱強(qiang)性(xing)，并(bing)(bing)可(ke)使其在退(tui)火(huo)和淬(cui)火(huo)狀態(tai)下具(ju)有良好的(de)(de)(de)塑性(xing)，較高(gao)的(de)(de)(de)Mo和V使得其淬(cui)火(huo)并(bing)(bing)時效熱處理后(hou)具(ju)有較高(gao)強(qiang)度[1]。該(gai)合金不僅(jin)可(ke)以熱鐓成(cheng)型(xing)還具(ju)有良好的(de)(de)(de)冷鐓性(xing)能(neng)，是(shi)比較成(cheng)熟(shu)的(de)(de)(de)航(hang)天(tian)緊固件(jian)材(cai)料，目前廣泛(fan)用(yong)于航(hang)天(tian)設(she)備(bei)上[2]，用(yong)于關鍵部(bu)件(jian)和重(zhong)要(yao)部(bu)位的(de)(de)(de)連接(jie)與裝配(pei)，一架中型(xing)飛機(如國產C919)所(suo)用(yong)的(de)(de)(de)緊固件(jian)的(de)(de)(de)總(zong)重(zhong)量可(ke)占飛機總(zong)質(zhi)量的(de)(de)(de)5%~6%，可(ke)達200萬到300萬個[3]。圖1為TC16鈦合金緊固件(jian)及(ji)C919飛機。

TC16鈦合(he)金(jin)常(chang)以冷鐓(dui)熱(re)處理的(de)方(fang)式(shi)進行(xing)強化(hua)，故要(yao)求(qiu)材料在退火態(tai)具(ju)良好的(de)塑(su)(su)性(xing)，固溶時效(xiao)態(tai)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)強度。對(dui)比俄(e)制BT16鈦合(he)金(jin)，國產TC16鈦合(he)金(jin)具(ju)有(you)與其相當的(de)力學性(xing)能(neng)和工藝(yi)塑(su)(su)性(xing)，但(dan)是，冷鐓(dui)工藝(yi)還不夠(gou)成熟(shu)，無法實現(xian)量化(hua)生產。

研究表明，材(cai)料的(de)冷(leng)鐓(dui)變形能力與(yu)塑性、剪切強度及組(zu)織有(you)關。且不(bu)同退火及固(gu)溶(rong)時效(xiao)(xiao)工(gong)藝對(dui)其組(zu)織及性能影響(xiang)(xiang)較大[4]，因此，本文通過研究不(bu)同退火工(gong)藝及固(gu)溶(rong)時效(xiao)(xiao)工(gong)藝對(dui)TC16合金(jin)棒材(cai)組(zu)織、性能的(de)影響(xiang)(xiang)規律，為緊固(gu)件用TC16合金(jin)國產化、批量化的(de)研制及生產提供技術(shu)支持。

1、實驗材料和方法

1.1實驗材料

本(ben)次實驗所(suo)用材料(liao)是由(you)寶雞鈦(tai)業股(gu)份有限公司經多次次真(zhen)空自耗(hao)熔煉的(de)TC16合金(jin)鑄錠，坯(pi)料(liao)經自由(you)鍛＋精(jing)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(wei)(wei)856°C。圖2為(wei)(wei)TC16鈦(tai)合金(jin)?8.0mm棒材軋制態(tai)顯(xian)微(wei)組織，由(you)圖2可以看出，棒材原(yuan)始組織為(wei)(wei)細小的(de)等軸初生＋馬氏體(ti)α′′＋β基體(ti)構成，原(yuan)始β晶界已完全破碎(sui)，初生α相體(ti)積分數約為(wei)(wei)50%，且α相為(wei)(wei)短棒狀(zhuang)、針狀(zhuang)和顆粒(li)狀(zhuang)。另外，顯(xian)微(wei)組織中(zhong)存在少量片層狀(zhuang)的(de)馬氏體(ti)α′′，這(zhe)與軋制工藝及軋后(hou)冷卻方式有關。

2、實驗方法

在(zai)TC16鈦(tai)合金(jin)?8.0mm盤圓(yuan)線材上(shang)取樣，按(an)照表1中的(de)實驗(yan)方(fang)(fang)案進行退(tui)火(huo)和(he)固(gu)溶時效(xiao)熱(re)處理實驗(yan)，研究不同退(tui)火(huo)工藝和(he)固(gu)溶時效(xiao)工藝對棒材退(tui)火(huo)態及固(gu)溶時效(xiao)態顯微(wei)組織(zhi)和(he)力學性(xing)能的(de)影響，其(qi)中，FC為爐冷(leng)；AC為空冷(leng)；WQ為水淬。試樣經熱(re)處理后(hou)依據GB/T228.1—2021《金(jin)屬材料(liao)室溫(wen)拉伸實驗(yan)方(fang)(fang)法(fa)》加工、檢(jian)測室溫(wen)力學性(xing)能，依據GB/T5168—2020《α-β鈦(tai)合金(jin)高低(di)倍組織(zhi)檢(jian)驗(yan)方(fang)(fang)法(fa)》中的(de)方(fang)(fang)法(fa)加工、腐蝕(shi)后(hou)，并檢(jian)測、分析(xi)其(qi)顯微(wei)組織(zhi)。

其中方案(an)A1～A4研(yan)(yan)究(jiu)不(bu)同(tong)退(tui)火溫度對(dui)棒材退(tui)火后顯微組織及室溫力學性能的影(ying)(ying)響(xiang)，方案(an)B1～B3研(yan)(yan)究(jiu)不(bu)同(tong)固(gu)溶溫度對(dui)棒材固(gu)溶時效(xiao)態組織性能的影(ying)(ying)響(xiang)，方案(an)B2、B4、B5、B6研(yan)(yan)究(jiu)不(bu)同(tong)時效(xiao)溫度對(dui)棒材固(gu)溶時效(xiao)態組織性能的影(ying)(ying)響(xiang)。

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(dui)TC16鈦合金(jin)組織的(de)影(ying)響

圖3為TC16鈦合金棒材不同(tong)退(tui)火溫度隨(sui)爐冷(leng)卻后(hou)的顯(xian)微組織(zhi)(zhi)(zhi)，由圖3可(ke)以看出隨(sui)退(tui)火溫度的升高，顯(xian)微組織(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)初生α相(xiang)的含量逐(zhu)(zhu)漸減少，晶(jing)粒逐(zhu)(zhu)漸長大(da)(da)。圖3(a)和(he)(he)3(b)分別為試樣在760和(he)(he)780°C退(tui)火后(hou)的顯(xian)微組織(zhi)(zhi)(zhi)，為α相(xiang)和(he)(he)β相(xiang)組成的彌散混合組織(zhi)(zhi)(zhi)，平均晶(jing)粒大(da)(da)小為1.22μm。圖3(c)和(he)(he)3(d)分別為試樣在800和(he)(he)820°C退(tui)火后(hou)的顯(xian)微組織(zhi)(zhi)(zhi)，由等軸(zhou)初生α相(xiang)與局(ju)部片層狀(zhuang)的次生α′′相(xiang)及β基體組成，與圖3(a)和(he)(he)3(b)相(xiang)比(bi)，圖3(c)和(he)(he)3(d)中(zhong)的晶(jing)粒明顯(xian)長大(da)(da)，局(ju)部出現(xian)少量片層組織(zhi)(zhi)(zhi)，平均晶(jing)粒尺寸(cun)由原來的1.22增加(jia)至1.33μm。

3.2退火(huo)溫度對TC16鈦合金性能(neng)的(de)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(chu)，隨退火溫(wen)度的升(sheng)高(gao)(隨后慢冷)棒材抗拉強(qiang)度、屈服強(qiang)度、剪切(qie)強(qiang)度均逐(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)，伸長率逐(zhu)漸(jian)升(sheng)高(gao)，斷(duan)面收縮率先升(sheng)高(gao)再(zai)降(jiang)低(di)。

原(yuan)因為(wei)在α＋β兩相(xiang)區退(tui)火(huo)時棒(bang)材(cai)發(fa)生(sheng)了回復(fu)與(yu)再(zai)結(jie)晶，退(tui)火(huo)溫(wen)度(du)越高再(zai)結(jie)晶后晶粒越粗大(da)(da)，棒(bang)材(cai)強度(du)越低。在780°C時棒(bang)材(cai)抗拉(la)強度(du)達(da)到(dao)了840MPa，斷面收(shou)縮率達(da)到(dao)了最(zui)大(da)(da)值74%，研究表明斷面收(shou)縮率與(yu)材(cai)料冷(leng)鐓(dui)(dui)性(xing)能成正相(xiang)關，因此，在選擇(ze)TC16鈦(tai)(tai)合金(jin)退(tui)火(huo)工藝(yi)參(can)數時要充分(fen)考慮到(dao)這一(yi)點，兼顧材(cai)料強度(du)與(yu)塑性(xing)，特別(bie)是保證(zheng)TC16鈦(tai)(tai)合金(jin)棒(bang)材(cai)的供(gong)貨狀態工藝(yi)性(xing)能—冷(leng)鐓(dui)(dui)性(xing)能[5]，因此，TC16合金(jin)棒(bang)材(cai)最(zui)佳退(tui)火(huo)制度(du)為(wei)780°C保溫(wen)2h，以2～4°C/min爐(lu)冷(leng)至550°C以下(xia)，空冷(leng)。

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(rong)溫(wen)度對TC16鈦合金棒(bang)材固溶(rong)時效態組織的(de)影響(xiang)

圖5為(wei)(wei)不同固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)固(gu)(gu)(gu)溶(rong)時效(xiao)處理(li)后(hou)的(de)(de)TC16鈦合金棒材顯微組(zu)織，圖中(zhong)白(bai)色顆粒為(wei)(wei)初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)，黑色部分(fen)為(wei)(wei)β基體(包括淬(cui)(cui)火(huo)保(bao)留下來的(de)(de)亞穩(wen)定(ding)β相(xiang)(xiang)(xiang)和α′′相(xiang)(xiang)(xiang))。由圖5(a)～5(c)可(ke)以看出(chu)，提高TC16鈦合金棒材在(zai)α＋β相(xiang)(xiang)(xiang)區淬(cui)(cui)火(huo)加(jia)熱溫度(du)，其(qi)顯微組(zu)織中(zhong)初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)含(han)(han)量(liang)減少，β相(xiang)(xiang)(xiang)含(han)(han)量(liang)增加(jia)，淬(cui)(cui)火(huo)后(hou)發生(sheng)了亞穩(wen)定(ding)β相(xiang)(xiang)(xiang)向α′′相(xiang)(xiang)(xiang)轉變。隨固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)的(de)(de)升(sheng)高，棒材固(gu)(gu)(gu)溶(rong)后(hou)淬(cui)(cui)火(huo)時保(bao)留的(de)(de)亞穩(wen)定(ding)相(xiang)(xiang)(xiang)β相(xiang)(xiang)(xiang)和α′′含(han)(han)量(liang)就(jiu)越(yue)多(duo)，隨后(hou)時效(xiao)的(de)(de)強化效(xiao)果也就(jiu)越(yue)明(ming)顯。圖5(c)較圖5(a)和(b)其(qi)初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)含(han)(han)量(liang)明(ming)顯減少，時效(xiao)析出(chu)的(de)(de)針(zhen)狀第二(er)相(xiang)(xiang)(xiang)含(han)(han)量(liang)增多(duo)。

固(gu)溶溫度對TC16鈦(tai)合金棒材(cai)固(gu)溶時效后性能(neng)的影響

圖6所示為不(bu)同固(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)(du)固(gu)(gu)溶(rong)時效處理后的TC16鈦(tai)合(he)金棒材室溫力學(xue)性(xing)能，可以看(kan)出(chu)，隨著固(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)(du)升高(gao)，棒材固(gu)(gu)溶(rong)時效態的抗(kang)拉(la)強度(du)(du)(du)、屈(qu)服強度(du)(du)(du)、剪(jian)切(qie)強度(du)(du)(du)均升高(gao)，伸長率降低，斷(duan)面收縮(suo)率先升高(gao)再降低。在800°C時棒材斷(duan)面收縮(suo)率達(da)到了(le)(le)最(zui)高(gao)值74%，抗(kang)拉(la)強度(du)(du)(du)達(da)到了(le)(le)1098MPa，剪(jian)切(qie)強度(du)(du)(du)達(da)758MPa，強度(du)(du)(du)與塑(su)性(xing)達(da)到了(le)(le)最(zui)佳匹配，故(gu)TC16鈦(tai)合(he)金棒材的最(zui)佳固(gu)(gu)溶(rong)制度(du)(du)(du)為800°C保(bao)溫2h，水(shui)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(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)(du)對(dui)TC16鈦(tai)合金(jin)棒材(cai)組織的(de)影響圖(tu)(tu)7所(suo)(suo)示為不(bu)同(tong)時效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)(du)固溶時效(xiao)(xiao)處理后的(de)TC16鈦(tai)合金(jin)棒材(cai)顯微組織，由(you)圖(tu)(tu)7可以看出，隨(sui)著(zhu)時效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)(du)升(sheng)高，固溶過程(cheng)中保(bao)留(liu)的(de)亞穩(wen)(wen)定β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉變而形成的(de)質點的(de)彌(mi)散程(cheng)度(du)(du)也各(ge)不(bu)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)，520°C時效(xiao)(xiao)從亞穩(wen)(wen)定β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分解的(de)第二相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比較彌(mi)散，如圖(tu)(tu)7(a)所(suo)(suo)示。隨(sui)著(zhu)時效(xiao)(xiao)溫(wen)度(du)(du)的(de)升(sheng)高，彌(mi)散析出的(de)第二相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)質點開(kai)始(shi)聚集，如圖(tu)(tu)7(c)和7(d)所(suo)(suo)示，研(yan)究表明TC16鈦(tai)合金(jin)亞穩(wen)(wen)定相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)分解從350～400°C開(kai)始(shi)，500°C時效(xiao)(xiao)后亞穩(wen)(wen)定β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)完全分解，但(dan)穩(wen)(wen)定化(hua)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)鉬、釩含量比在較低溫(wen)度(du)(du)下得到平衡的(de)β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)少[1]。

3.4時效溫度對TC16鈦合金棒材(cai)性能(neng)的(de)影響(xiang)

圖8為(wei)時(shi)效(xiao)溫度(du)(du)對TC16鈦合(he)金棒材固溶(rong)時(shi)效(xiao)態室(shi)溫力學(xue)性(xing)能的影響，由圖8可以(yi)看(kan)出，隨(sui)著時(shi)效(xiao)溫度(du)(du)的升(sheng)高(gao)，棒材的抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)、屈服強(qiang)(qiang)度(du)(du)、剪(jian)切強(qiang)(qiang)度(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)(di)，伸(shen)長率逐(zhu)(zhu)漸(jian)升(sheng)高(gao)，斷面(mian)收縮率先升(sheng)高(gao)后降(jiang)低(di)(di)。這是因為(wei)時(shi)效(xiao)時(shi)亞穩定β相分解引起時(shi)效(xiao)強(qiang)(qiang)化(hua)，但隨(sui)著固溶(rong)溫度(du)(du)從(cong)520升(sheng)高(gao)至580°C彌散析出的質點發生了(le)較大程度(du)(du)的聚集，使得強(qiang)(qiang)度(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸(jian)降(jiang)低(di)(di)，塑(su)(su)性(xing)升(sheng)高(gao)。時(shi)效(xiao)溫度(du)(du)為(wei)560°C時(shi)棒材的斷面(mian)收縮率達到了(le)最高(gao)值74%，抗(kang)拉強(qiang)(qiang)度(du)(du)達到了(le)1098MPa，剪(jian)切強(qiang)(qiang)度(du)(du)達到了(le)758MPa。因此，800°C固溶(rong)后經(jing)560°C保溫8h時(shi)效(xiao)，可以(yi)使TC16鈦合(he)金棒材強(qiang)(qiang)度(du)(du)和塑(su)(su)性(xing)達到最佳匹配。

4、結論

(1)TC16鈦合金棒材(cai)在退火(huo)后以(yi)2～4°C/min爐(lu)冷的(de)冷卻(que)速度(du)不變的(de)情況下(xia)，隨退火(huo)溫度(du)的(de)升高(gao)(gao)，組織中(zhong)初生α相含量減少(shao)、平均晶粒尺寸增加(jia)，棒材(cai)的(de)抗拉強(qiang)度(du)、屈服強(qiang)度(du)、剪切強(qiang)度(du)均降(jiang)低，伸長(chang)率(lv)略有升高(gao)(gao)，斷面(mian)收(shou)縮率(lv)先升高(gao)(gao)后降(jiang)低。780°C退火(huo)后棒材(cai)的(de)斷面(mian)收(shou)縮率(lv)達到(dao)了最高(gao)(gao)值。

(2)在時效溫(wen)度不(bu)變(bian)的情(qing)況下，隨固(gu)溶(rong)溫(wen)度的升(sheng)高，TC16合金棒材固(gu)溶(rong)時效后(hou)組織中(zhong)初生α相含量減少，次生相含量增(zeng)加，室溫(wen)拉伸強度、剪切強度升(sheng)高，伸長率(lv)降(jiang)低，斷面收縮率(lv)先升(sheng)高再降(jiang)低，在800°C時達到了最高值。

(3)在固溶(rong)溫(wen)度(du)(du)(du)不變的(de)情(qing)況下，隨著時效溫(wen)度(du)(du)(du)的(de)升(sheng)(sheng)高(gao)，TC16合金棒(bang)材組織(zhi)中的(de)彌散析出的(de)第(di)二相開始聚集，室(shi)溫(wen)拉伸強度(du)(du)(du)、剪切強度(du)(du)(du)降低，伸長(chang)率(lv)(lv)升(sheng)(sheng)高(gao)，斷面收縮率(lv)(lv)先升(sheng)(sheng)高(gao)再降低。經“800°C保溫(wen)2h，水(shui)淬＋560°C保溫(wen)8h，空冷”固溶(rong)時效處理后棒(bang)材抗拉強度(du)(du)(du)達到(dao)了(le)1100MPa，斷面收縮率(lv)(lv)達到(dao)了(le)74%，強度(du)(du)(du)和塑性達到(dao)了(le)最佳匹配，為TC16鈦合金棒(bang)材的(de)最佳固溶(rong)時效制度(du)(du)(du)。

參考文獻

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作者(zhe)簡介：黃(huang)帆(1987—)，男，陜西寶雞人，工程師，從事有色金(jin)屬(shu)研究(jiu)工作多年。主要研究(jiu)方向：鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金(jin)塑性加工成型(xing)機(ji)熱處理(li)。E-mail：huangfanbaoti@163.com。