緊固件用TC16鈦合金絲材加熱溫度對組織性能影響

解文卓，張佼，周亮

（1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710050）（2.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014 ）

關鍵字：TC16鈦合金；加熱溫度；保溫時間；組織性能

1 引言

TC16鈦合金的名義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V，為α+β型兩相高強鈦合金，與俄羅斯BT16成分相同。TC16鈦合金的β轉變溫度為860℃±20℃。具有良好的工藝塑性，疲勞強度高，通過固溶時效或冷變形強化后抗拉強度可以達到1030～1080MPa，剪切強度為650～700MPa，并且對缺口、扭轉等應力集中敏感性較小、能很好地承受偏斜載荷。TC16鈦合金絲材（Φ4mm～Φ8mm）主要用于制造螺釘、螺栓、鉚釘、螺母、墊片等飛機用緊固件，包括螺栓、螺釘、螺母和環槽鉚釘桿等，主要用在后機身、機翼、尾翼等部位，通過對TC16，Φ6.1mm絲材組織、性能的研究，可以根據用途為緊固件后續加工選擇不同的加熱溫度和加熱時間，為獲得不同的組織與性能以及大批量生產提供更優的理論依據。

為獲得加熱溫度和加熱時間在拉拔過程中對組織和性能的影響，選取成品規格Φ6.1mm，溫拉工序采用管式爐加熱，經不同的加熱溫度和加熱時間，以及相同的熱處理制度后分析其組織與性能的變化機理。

2 實驗材料

實驗所選用的材料均由寶鈦集團生產的Φ9.5mm的TC16棒材，坯料的化學成分，見表1,檢測相變點為860℃。

2.1 工藝過程

（1）拉伸工序具體步驟：

磨頭→燒頭→穿模→夾頭→連續加熱→拉伸

（2）拉伸選材

坯料的相關參數見表2：

2.2 實驗方案

對規格Φ7.1坯料進行拉伸，加熱溫度分別為840℃、860℃、870℃、890℃、1050℃；保溫時間分別采用1min，2min，3min，5min，并采用相同的熱處理制度具體見表3：研究組織和性能的變化機理。

3 組織與性能分析

3.1 按照工藝方案執行后，進行取樣、標識，對絲材的橫向進行了顯微組織分析，具體如下：

通過顯微組織可以看出，加熱溫度在840℃時，隨著加熱時間的不斷增加，圖1（a～d）試樣在500X顯微組織為典型的細小的兩相區等軸α+β轉加工組織，無原始β晶界，初生α的平均尺寸為2μm；TC16合金相變點較低，為850℃～870℃，在860℃加熱時，從圖2 a）可以看出雖然為雙態組織，已經逐漸形成細小的長條α；（b～d）可以看出隨著加熱時間的增加，晶粒在緩慢長大，逐漸形成少量的β晶界。

表1 TC16化學成分

表2 坯料參數及加熱爐加熱區長度

表3 TC16棒（絲）材熱處理制度

圖1 840℃，不同加熱時間

在870℃加熱時，對500X組織照片進行分析具體見圖3（a～d），隨著加熱時間的增加，晶粒明顯長大，原始β晶粒比較細小，已經出現完整的β晶界，平均尺寸約為40μm，部分晶界α呈斷續狀，晶內α呈平行的短條狀，從4組顯微組織照片可以看出，已經形成魏氏組織。

圖2 860℃，不同加熱時間

隨著溫度的不斷增加，β晶粒也在迅速的長大，在890℃時具體見圖4（a～d），呈現明顯魏氏組織，β晶界也在迅速的長大，原始β晶粒清晰可見，晶粒度平均尺寸為137um，β晶界上分布平直的晶界α，也存在少部分斷開的晶界α，在晶界α附近有一個極窄的貧α相區域，一個晶粒內的短條α呈編織狀；

加熱溫度增加到1050℃時，具體見圖5（a～d），隨著加熱時間的增加，原始β晶粒清晰可見，晶粒度平均尺寸為180um，類似β區加工組織，也就是網籃組織，晶界內有明顯的次生α相。

圖3 870℃，不同加熱時間

圖4 890℃，不同加熱時間

圖5 1050℃，不同加熱時間

表2 棒材的室溫力學性能

綜上分析，隨著加熱溫度和保溫時間的變化，從以上顯微組織分析可以得出，加熱溫度從840℃到870℃，絲材顯微組織從等軸的α+β轉，無原始β晶界，逐漸轉變為魏氏組織；隨著保溫時間的增加，β晶粒也在迅速的長大，出現的明顯β晶粒。經對不同加熱溫度和不同保溫時間的顯微組織分析，在840℃時顯微組織更符合加工要求。

3.2 力學性能比較

為了進一步比較不同溫度下的產品的力學性能，我們選取不同加熱溫度，1min 的試樣進行力學性能測試，包括抗拉強度、剪切性能、伸長率和收縮率，具體數據如表2所示：

4 結論

1）從顯微組織照片可以看出，試樣840℃下為兩相區加工組織，無β晶界形成，860℃時發生相變，出現完整的β晶界，隨著加熱溫度的不斷升高，β晶粒迅速長大，加熱溫度提高到870℃時，形成魏氏組織，晶粒較大，晶界明顯。在840℃～1050℃時，試樣平均晶粒尺寸為2um～180um之間，840℃時顯微組織更符合加工要求。

2）通過對棒材試樣力學性能對比，在840℃時棒材綜合性能最優，隨著溫度的不斷增加，棒材的拉伸強度及塑性指標明顯下降，剪切性能略降。