冷鐓緊固件用Ti-3Al-5Mo-4.5V鈦合金的微觀組織及性能

張青來，匡雁銳，韓寅奔，韓偉東，馮甜甜

(1. 江蘇大學 材料科學與工程學院，鎮江 212013；2. 東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004；3. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞 721013)

冷鐓緊固件用Ti-3Al-5Mo-4.5V鈦合金的微觀組織及性能

張青來1，匡雁銳1，韓寅奔2，韓偉東3，馮甜甜1

(1. 江蘇大學 材料科學與工程學院，鎮江 212013；2. 東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004；3. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞 721013)

通過透射電鏡、掃描電鏡和光學顯微鏡等手段，研究絲材制備過程中BT16鈦合金的組織結構演變。結果表明：BT16合金退火態絲材具有良好的力學性能，斷面收縮率Ψ為62%～65%，冷鐓變形量達到80%；退火后的合金組織由初生等軸α相、少量短條狀α相及晶間β相組成的；固溶時效后合金組織由不規則的等軸狀初生α相和析出針狀α′相的β相組成，其中淬火時效合金中的針狀α′相更細小。

BT16鈦合金；冷鐓緊固件；微觀組織；固溶；時效；力學性能

Ti-3Al-5Mo-4.5V鈦合金(BT16)由全俄輕合金研究院研制，是一種高強、新型的典型α+β兩相鈦合金，具有優良的力學性能和冷鐓成形，該合金的主要半成品是軋制態和拉拔態直徑為4～10 mm的絲材和棒材，通過冷鐓可以制作螺釘、螺栓和鉚釘等航空緊固件[1?2]。

BT16鈦合金特點如下：含少量的Al，更多的β穩定元素(Mo)，β相穩定系數Kβ高達0.8，β相含量約為25%～30%，退火或淬火狀態下都具有較高的塑性，而固溶+時效合金具有更高的強度，而塑性降低不明顯[3]。鈦合金在熱處理過程中出現的主要過渡相有α′相、α″相和淬火時效β相[4?5]。俄羅斯采用退火態BT16合金絲材冷鐓制作航空緊固件[6]。國內外學者[7?11]對BT16鈦合金退火工藝、微觀組織、相結構和力學性能進行了大量研究。WANG等[12]和張慶玲等[13]研究冷變形過程形成的絕熱剪切帶相轉變。采用BT16合金制造冷變形強化緊固件，其工時和成本最低，可在160 ℃以下無限期使用；采用固溶時效BT16合金制造的緊固件，其工作溫度可達350 ℃。

因此，本文作者將利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)手段研究BT16鈦合金在生產過程中組織結構演變及熱處理工藝對合金絲材力學性能的影響，為進一步研究和優化BT16鈦合金及應用提供理論依據和實驗數據，具有重要的應用價值和研究意義。

1 實驗

在本實驗中，使用直徑為6.5 mm的BT16鈦合金絲材，其化學成分如表1所列。合金絲材的制備過程如下：鑄錠→開坯→鍛造→軋制。首先，利用兩次真空自耗電極熔化爐獲得直徑為210 mm的BT16鈦合金鑄錠，然后開坯，開始溫度為1 150 ℃，結束溫度控制在800 ℃左右，之后熱鍛成直徑為7.5 mm的絲材，最后進行退火處理：780 ℃保溫2 h，爐冷至550 ℃，再空冷。退火后的絲材進行表面磨光，以備冷鐓實驗用。

利用LEICA DM2500M型正置透反射光學顯微鏡(OM)、JEOL JEM?2100型透射電鏡(TEM)和JEOL JSEM?7001F 型高分辨掃描電鏡(SEM)對BT16鈦合金絲材和冷鐓試樣進行觀察和分析?；瘜W腐蝕劑配比為2.5 mL Hf+3 mL HNO3+5 mL HCl+89.5 mL H2O。

表1 BT16鈦合金化學成分Table 1 Chemical composition of BT16 alloy (mass fraction, %)

2 結果與分析

2.1 鑄錠和熱鍛棒微觀組織

圖1所示為BT16鈦合金鑄錠和熱鍛棒的微觀組織。BT16鈦合金鑄錠是α+β兩相組織，粗大β晶內α相以樹枝狀形式存在，部分α相沿粗大β晶界分布(見圖1(a)和(b))；BT16合金的再結晶溫度范圍為840～860 ℃[2]，因此，開坯開始溫度選為1 150 ℃，終了溫度控制在800 ℃左右，之后空冷，鍛坯含有粗大β晶粒，在其晶內和邊界均有細小片狀α相不均勻析出(見圖1(c)和(d))；直徑為55 mm的熱鍛棒材中，形成等軸的β晶粒，其平均尺寸為150 μm，在其邊界和晶內均有細小α相不均勻析出，如圖1(e)和(f)所示。

圖1 BT16鈦合金鑄錠和熱鍛棒的微觀組織Fig. 1 Micrographs of ingot and hot-forged BT16 alloy rods: (a), (b) OM, SEM images of ingot, respectively; (c), (d) OM images of hot-forged billet; (e), (f) OM images of forged and annealed rods with 55 mm diameter

2.2 絲材微觀組織和力學性能

表2所列為BT16鈦合金絲材的力學性能如表2所列。從表2可見，退火態BT16鈦合金絲材(d6.5 mm)的拉伸性能為σb為870～935 MPa，δ為22%～25%，ψ為62%～ 65%，均滿足俄羅斯ГОСТ1497—84標準對BT16鈦合金緊固件冷鐓成形性能要求。經780 ℃、2 h+550 ℃、AC退火處理的BT16合金絲材冷鐓變形量達到80%，和文獻[13]中冷鐓極限值一致，試樣形狀完整，未見任何開裂和表面微裂紋，如圖2所示。

圖2 BT16鈦合金絲材冷鐓試樣照片Fig. 2 Photos of cold upsetting specimen of BT16 alloy: (a) Without deformation; (b) With 80% deformation

表2 BT16鈦合金絲材的力學性能Table 2 Mechanical properties of titanium alloy BT16 wires

圖3 直徑6.5 mm BT16鈦合金絲材的微觀組織Fig. 3 Microstructures of 6.5 mm-diameter rolled wires: (a), (b) OM and SEM images of samples annealed at 780 ℃, 2 h+550 ℃, AC, respectively; (c) TEM image; (d) SEM image of tensile fracture

圖3所示為BT16鈦合金絲材的微觀組織。在絲材熱軋過程中，如果加熱溫度在Tα～Tβ之間，那么片狀α晶粒將發生球化，形成細等軸晶粒，因此，熱軋終了溫度應控制在α+β兩相區間。在合金絲材磨光前進行退火處理，由于BT16合金的再結晶溫度范圍為840～860 ℃，本實驗選用熱處理工藝制度如下：760～800 ℃保溫2 h, 爐冷至550 ℃，再空冷。退火絲材是由均勻分布的細小近等軸α和β兩相組成，其晶粒大小為1～3 μm，如圖3(a)～3(c)所示。拉伸斷口具有典型的分布均勻的細小韌窩，呈韌性斷裂，具有良好的塑性(見圖3(d))。

2.3 固溶時效處理和顯微組織

由文獻[3]可知，與退火態相比，固溶+時效后的BT16合金的性能得到強化，其抗拉強度可達到1 000～1 200 MPa，盡管伸長率降為12%～16%，其斷面收縮率仍大于60%。由于鉬和釩的含量相當高，BT16合金在固溶+時效過程中可有效地強化，因此，本文作者將研究該合金固溶+時效后的組織結構特征。實驗中固溶時效工藝制度如下：

1) 空冷+時效制度：隨爐加熱到800 ℃、保溫2 h，空冷，500 ℃、6 h，空冷，即800 ℃、2 h、AC+500 ℃、6 h、AC；

2) 淬火+時效制度：隨爐加熱到800 ℃保溫2 h，水冷，550 ℃、6 h，空冷，即800 ℃、2 h、WQ+550 ℃、6 h、AC。

圖4(a)～(c)所示為固溶(空冷)+時效BT16合金的微觀組織。合金由均勻分布的α相和β相組成的雙態等軸組織組成(見圖4(a))。空冷+時效后，合金中仍保持細小片狀和不規則的等軸初生α相，同時β相內析出大量細小分布的不均勻針狀次生α′相，如圖4(b)和(c)所示。一方面，加熱到800 ℃時(近α+β區域)，合金中仍保留大部分的初生α相；另一方面，在時效過程中，β相內析出大量細小的針狀次生α′相，即發生如下轉變：β→β＋α′。

圖4(d)～(f)所示為淬火(固溶)+時效BT16合金的微觀組織。固溶時效后合金由等軸α相和晶間β相構成的雙態組織組成，即由初生α相、晶間β相和β相內析出的針狀α′相組成。此時，析出的次生α′相比空冷+時效過程中析出的更加細小(見圖4(c)和(f))。其原因如下：1)α+β相區淬火時，部分β相分解成針狀馬氏體α′相，α′相分布在初生α相間的中間層(即β相內)，發生無擴散型相變形成的合金元素處于六方結構α中的過飽和固溶體；2)時效過程中馬氏體分解成細小的α′相和β相。

3 討論

鈦合金BT16是一種高強、新型的馬氏體型α+β鈦合金，退火或淬火狀態下都具有較高的塑性，即在退火狀態下強度低，塑性特別好；在固溶+時效狀態下，強度較高，塑性降低不明顯[3]，如表2和3所列。

圖4 固溶時效后BT16合金絲材顯微組織Fig. 4 Microstructures of BT16 alloy wires after solution and aging: (a), (b), (c) OM and TEM images for (800 ℃, 2 h, AC)+ (500 ℃, 6 h, AC), respectively; (d), (e), (f) OM and TEM images for (800 ℃, 2 h, WQ)+(550 ℃, 6 h, AC), respectively

圖5 (800 ℃, 2 h, AC)+(500 ℃, 6 h, AC)固溶時效后BT16合金的SEM像及EDS譜Fig. 5 SEM images((a), (b)) and EDS spectra((a′), (b′)) of BT16 alloy after solution and aged under (800 ℃, 2 h, AC)+(500 ℃, 6 h, AC): (a), (a′)βphase; (b), (b′)αphase

將BT16和TC4兩種鈦合金分別在750～800 ℃和780～820 ℃溫度區間進行淬火處理[14?15]，即在α+β區淬火處理，組織中含有大量α″馬氏體和亞穩β相，但沒有發現ω相的存在，含α″相淬火鈦合金具有較低的屈服強度，其原因是合金中的亞穩β相導致剪切模量降低，當β穩定元素(5%～9% Mo)含量增加時，針狀α′相數量減少，板狀α″相數量增加。本實驗中兩種固溶+時效處理后合金中均未發現板狀α″相(見圖4)。固溶時效合金EDS分析表明，β穩定元素(Mo)存在于β相中，而α相中未發現Mo的存在(見圖5)。

表3 不同熱處理BT16合金力學性能[3]Table 3 Mechanical properties of BT16 alloy after different heat treatments[3]

4 結論

1) BT16合金絲材退火制度如下：760～830?C、2 h+ 550 ℃、空冷。所得絲材的力學性能如下：σb為870～935 MPa，δ為22%～25%，ψ為62%～65%，其冷鐓變形量達到80%，退火后合金組織由初生等軸α相、少量短條狀α相及晶間β相組成。

2) 固溶(空冷)+時效后，合金組織由不規則的等軸狀初生α相和析出針狀α′相的β相組成；固溶(淬火)+時效后，合金由等軸α相和晶間β相構成的雙態組織，即由初生α相、晶間β相及β相內析出的針狀α′相組成。

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(編輯 龍懷中)

Microstructures and mechanical properties of Ti-3Al-5Mo-4.5V titanium alloy for cold upsetting fasteners

ZHANG Qing-lai1, KUANG Yan-rui1, HAN Yin-ben2, HAN Wei-dong3, FENG Tian-tian1
(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 3. Baoji Boxin Metal Materials Co., Ltd., Baoji 721013, China)

The microstructure evolution of titanium alloy BT16 during the preparation wires were investigated by transmission electron microscopy, scanning electronic microscopy and optical microscopy. The results show that BT16 alloy annealed wires have excellent mechanical properties with area reduction (Ψ) of 62%?65% and cold heading deformation amount of 80%. After annealing, the alloy microstructure consists of primary equiaxialαphases, a few short-barα′ phases and intergranularβphases. The microstructure of solid-aged alloy is composed of irregularl equiaxial primaryαphases andβphases which precipitate needleα′ phases, while the needleα′ phases in the quench-aged alloy are smaller.

BT16 titanium alloy; microstructure; cold upsetting fasteners; solution; aging; mechanical properties

TG146.4

A

國家自然科學基金資助項目(51175231)

2011-03-06；

2012-09-22

張青來，教授，博士；電話：051-188797324；E-mail: zhangql196210@163.com

1004-0609(2012)10-2756-06