TC16鈦合金的冷鐓組織與性能

王富強，沙春鵬，孫小嵐

(中航工業沈陽飛機工業集團有限公司 制造工程部，沈陽 110034)

由于鈦合金緊固件顯著的減重效果和優異的耐蝕性能，使其成為目前先進飛機上鈦合金、復合材料結構實現連接的首選部件［1，2］，其用量隨著鈦合金及復合材料在飛機上用量的不斷擴大而增加.因此，對其冷鐓性能進行研究有著重要的實際意義.

當前在飛機上獲得應用的鈦合金緊固件可分為歐美和俄羅斯兩個體系［3］.歐美國家一般以通用型TC4(Ti－6Al－4V)鈦合金制造緊固件，只能采用熱鐓的方式制作，而俄羅斯則采用專用型BTl6(Ti－3A1－5Mo－4.5V)鈦合金生產緊固件，可以采用連續冷鐓的方式制作.后者在制作方式和生產效率上比前者更具優勢，且同類零件的成本和工作量只有前者的30% ～50%.考慮到BTl6鈦合金制作緊固件的眾多優點，在參考其成分設計的基礎上，我國在本世紀初開發出國產的TCl6鈦合金，并開展了冷擠壓性能、冷變形強化效果、冷鐓緊固件力學性能等方面的研究工作［4～6］.但是，由于冷鐓工藝對 TCl6 鈦合金絲材的性能要求極高，到目前為止國內還未形成批量生產冷鐓鈦合金緊固件的能力.

本文在最新研制TC16鈦合金冷鐓絲材的基礎上，分析由其冷鐓成型緊固件的顯微硬度、組織及流線分布情況，為TC16鈦合金冷鐓緊固件的批量制造提供技術原型.

1 試驗材料及研究方法

研究用TC16鈦合金絲材由中國科學院金屬研究所提供，其化學成分(質量分數，%)為:Al 3.17，Mo 5.11，V 4.50，C 0.020，Fe 0.058，Si＜0.05，Zr＜0.01，O 0.12，N 0.005 7，H 0.000 7，余量為Ti，滿足標準要求.采用真空自耗電弧爐熔煉，鑄錠經過開坯、鍛造、軋制成 8 mm的棒材，然后再拉制成 6.1 mm的絲材.冷鐓前進行退火處理，退火熱處理制度為:780℃，保溫2 h，以2～4℃/min的冷速爐冷至550℃以下，隨后空冷.經退火的絲材在A121型冷鐓機上鐓制成 6 mm的緊固件，將緊固件沿軸向縱向剖開進行粗磨、精磨、拋光及腐蝕.作為對比，同時對TC16鈦合金絲材進行分析.采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡(OM)觀察顯微組織及流線分布，在TUKON 2500顯微硬度計上測量硬度.通過機械減薄及雙噴電解減薄制備透射試樣，并在TECNAI G2透射電子顯微鏡(TEM)上觀察合金的微觀結構.

2 試驗結果與分析

2.1 冷鐓成型性能分析

表1為研究用TC16鈦合金絲材的室溫力學性能和鐓鍛試驗結果，并與標準值進行了對比.由表1可見，TC16鈦合金絲材的延伸率、斷面收縮率及剪切強度都明顯高于標準要求，在鐓鍛比為1∶4條件下進行了200組鐓鍛試驗，試驗結果全部合格.

表1 TC16鈦合金的力學性能Table 1 Mechanical properties of TC16 alloy

金屬材料的冷鐓成型性能與塑性、剪切強度及顯微組織等有關，當材料的塑性很好時，材料本身變形能力比較強，在冷鐓大變形過程中不容易產生裂紋;當材料剪切強度較高時，抗剪切變形能力較大，冷鐓變形帶分岔部位的晶粒在受到剪切應力的作用時也不容易發生斷裂.因此，良好的塑性和理想的抗剪切變形能力是確保TC16鈦合金在冷鐓大變形過程中不產生裂紋的前提基礎.

2.2 顯微組織及流線分析

圖1為TC16鈦合金絲材在退火狀態下的縱向顯微組織照片.由圖可知，經退火后的TC16合金為片狀組織，未發現連續平直的晶界α相，片狀初生α相長度很短.已有研究表明［4］，TC16鈦合金的“超細”片狀組織具有與等軸組織相當甚至更好的塑性.

圖1 TC16鈦合金絲材縱向顯微組織Fig.1 Vertical microstructure of TC16 Wire

圖2為經冷鐓成型TC16鈦合金緊固件頭部的縱向低倍組織.由圖2可見，緊固件頭部形成了沿外形分布的流線，而內部則形成了“一字雙岔狀變形帶”.在“一字雙岔狀變形帶”的“一”字部分，晶粒幾乎被壓縮成一條線，表明冷鐓過程中頭部中心部位產生了極大的變形，但是冷鐓緊固件內部并未發現裂紋.

圖2 TC16鈦合金緊固件縱向低倍組織Fig.2 Vertical macrostructure of locknut made of TC16 alloy

圖3給出了圖2中“A”和“B”兩典型部位的微觀組織照片.對比圖3a和圖3b可知，“A”和“B”兩處片狀α相的平直度有很大差異，“A”處片狀α相發生了極大地變形，幾乎被拉成了條狀，進一步證明緊固件頭部發生了較大變形，而“B”處的顯微組織與TC16鈦合金絲材退火狀態(見圖1)相近，可見緊固件桿部幾乎未發生變形.

2.3 顯微硬度分析

材料硬度值的大小取決于其化學成分和組織結構，并能敏感地反映材料的化學成分和組織結構差異;硬度測試是研究材料不均勻變形的一種有效手段［7］.由于冷鐓變形是材料不均勻變形的一種［8］，因此研究冷鐓緊固件的硬度分布有利于對冷鐓過程及冷鐓后的使用狀態有更深入的了解.TC16鈦合金緊固件顯微硬度的測試部位如圖2中的“1”～“4”所示，表2則給出了測試結果.為了便于比較，表2中同時列出了TC16鈦合金絲材退火狀態的硬度值.由表2可知，TC16鈦合金緊固件的硬度值(HV0.1)分布在2 500～3 100 MPa之間，頭部“2”處的硬度值最高，而桿部“4”處的硬度值最低，頭部硬度明顯高于桿部，桿部的硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態下的值相當.

圖3 TC16鈦合金緊固件縱向顯微組織Fig.3 Vertical microstructure of locknut made of TC16 alloy

圖2中“2”處附近的典型位錯組態如圖4所示.由于α和β兩相的襯度相差很大，通過樣品傾轉可分別觀察兩相的位錯，圖中β相晶粒變形非常大，出現了明顯的位錯墻，而鄰近的α相相界面也出現了大量位錯，說明α相也發生了塑性變形.與密排六方的α相相比，體心立方的β相具有更多的滑移系和更低的堆積密度，也就是說β相比α相軟，所以形變首先出現在β相中.在樣品的透射試驗中未觀察到明顯的孿晶衍射花樣，表明TC16鈦合金試樣是以位錯滑移的方式發生塑性變形的.隨著形變量的增加，形變由β相發展到α相，由于晶體中位錯滑移不能穿過α/β兩相界面于是就在相界面處塞積產生形變強化行為，使得應力提高而導致較硬的α相開始進行滑移［9］.由圖4可見“一字雙岔狀變形帶”的“一”字部分位錯墻貫穿整個晶粒，位錯密度非常高，這就是緊固件頭部硬度較大的主要原因.由于桿部的變形量非常小，位錯密度較低，幾乎未產生形變強化行為，所以桿部的硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態下的相當.

表2 TC16鈦合金緊固件不同部位顯微硬度檢測結果Table 2 Microhardness of locknut at different position

圖4 TC16鈦合金緊固件頭部的位錯組態Fig.4 Dislocation configuration of locknut made of TC16 alloy

綜上所述，在冷鐓過程中，由于TC16鈦合金緊固件頭部發生了較大的塑性變形，冷變形強化行為顯著，因此硬度相對于桿部較高;而緊固件桿部幾乎未發生變形，硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態下的值相當.由于熱鐓緊固件需通過時效熱處理提高其強度后才能使用，而TC16鈦合金具有冷變形強化特性，因此該合金在冷鐓成型的同時可提高其強度，無需經時效熱處理即可滿足使用要求.

3 結論

(1)TC16鈦合金絲材經退火后具有良好的塑性和相對較高的剪切應力，能夠確保其在冷鐓變形過程中不易發生剪切斷裂行為，滿足其冷鐓性能要求.

(2)TC16鈦合金緊固件頭部在冷鐓過程中發生了較大的塑性變形，冷變形強化行為顯著，而緊固件桿部幾乎未發生變形，冷變形強化行為可以忽略.TC16鈦合金緊固件的冷變形強化行為與顯微硬度的分布規律相吻合.

(3)TC16鈦合金在冷鐓過程中發生的冷變形強化行為，能夠保證緊固件在退火狀態下其強度即可滿足使用要求.

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