國產TC4和進口Ti-6Al-4V對螺栓近凈成形的影響

楊玖錫，樊開倫，羅學玉，戴愛麗，肖黔紅

貴州航天精工制造有限公司 貴州遵義 563125

1 序言

國產TC4和進口Ti-6Al-4V鈦合金是一種中等強度的α-β型兩相鈦合金，含有wAl=6%（α穩定元素）和wV=4%（β相穩定元素）。TC4鈦合金的力學性能與初生α相數和形態有密切關系，一般講，初生α相含量越多，室溫拉伸性能和疲勞性能越好；初生α相數量越少，則高溫持久性能、蠕變性能和斷裂韌度越好。為了獲得優異的綜合性能，初生α相含量通常希望控制在15%～50%。鑒于國產TC4和進口Ti-6Al-4V鈦合金具有密度小、比強度比剛度高、耐蝕性好、高溫力學性能優異、抗疲勞和蠕變性能突出、無磁性可焊接等優異的綜合性能，現已廣泛用于制造航空發動機風扇和壓力機的盤與葉片，以及飛機結構中的各種承力梁、框、接頭和緊固件等[1，2]。

鈦合金相變點以下小功率的近凈成形可以在一定程度上抑制鈦合金的動態回復和動態再結晶行為，改善微觀組織，提高材料綜合力學性能，但由于鈦合金小功率加熱低溫塑性變形能力差，易產生開裂等加工缺陷，鈦合金相變點以下相對低溫材料行為的研究一直較少[3，4]。

鈦合金屬于組織敏感材料，其微觀組織與近凈成形行為密切相關，同時對宏觀材料性能影響很大，需重點研究[5]。

針對上述問題，本文通過工藝研究，對國產TC4和進口Ti-6Al-4V鈦合金相變點以下相對低溫的材料行為進行了一定的探索，通過工藝驗證了國產TC4和進口Ti-6Al-4V鈦合金近凈成形過程中的應力應變行為及組織演化特征，可為鈦合金相對低溫塑性近凈成形控制提供理論參考。

2 工藝驗證

本試驗原材料為真空自耗電弧爐冶煉生產的TC4鈦合金棒材，規格為φ5.5mm，退火狀態，執行標準GJB 2219—1994，合金化學成分見表1。Ti-6Al-4V材料規格為φ5.5mm，退火狀態，執行標準MAS 4967。棒料通過車削兩端倒角、外圓磨削制成φ5.02-0-0.015m m×（2 5±0.1）m m、兩端倒角0.3mm×45°。采用高頻感應加熱電源（WHVI-26）＋氣液增壓式壓力機/CPM-125，對TC4和Ti-6Al-4V采用同一設備、同一工藝參數，分別用3個不同功率進行近凈成形工藝研究。加熱功率和加熱時間通過高頻感應加熱器設置。加熱后將坯料放進精密成形模具中進行近凈成形。對頭部成形后的鈦合金螺栓，隨后進行真空固溶處理。固溶處理后對試樣線切割取樣，進行金相試驗，采用徠卡光學顯微鏡（LEICADM×500M）進行金相檢查。具體試驗參數見表2，以觀察不同加熱功率對頭部近凈成形后的組織影響。

表1 TC4合金化學成分（質量分數） （%）

表2 螺栓頭部近凈成形參數

3 試驗結果及分析

3.1 加熱功率對近凈成形的影響

加熱功率對螺栓頭部近凈成形的影響結果見表3。從表3可看出：隨著加熱功率的降低，不論是國產TC4材料，還是進口Ti-6Al-4V材料，螺栓頭部的成形性能都隨之降低，表現在頭部逐漸減小，飽滿度降低，粗糙度值變大。從研究結果來看，Ti-6Al-4V材料的近凈成形性能明顯優于TC4。

表3 加熱功率對螺栓頭部近凈成形的影響結果

3.2 加熱功率對組織的影響

加熱功率對組織的影響可以參見圖1，不論加熱功率大小，進口Ti-6Al-4V的初生α相數量明顯多于國產TC4的初生α相數量。

3.3 分析

隨著加熱功率的降低，加熱溫度也隨之降低，材料的塑性也相應下降，導致材料的成形性能變差。因此，不論是國產TC4材料，還是進口Ti-6Al-4V材料，螺栓頭部的成形性能都隨之降低。

從加熱功率的變化對組織的影響來看，不論加熱功率高低，進口Ti-6Al-4V的初生α相數量明顯多于國產TC4的初生α相數量，說明進口材料對初生α相數量的控制較好，這也是值得國產材料需要改進提升的地方。

圖1 不同加熱功率中組織的初生α相數量

4 結束語

驗證結果表明：860W以下的加熱功率不論是國產TC4還是進口Ti-6Al-4V鈦合金，都可實現HB6512螺栓的頭部近凈成形。但是，Ti-6Al-4V材料的近凈成形性能明顯優于TC4，而且Ti-6Al-4V材料的初生α相數量明顯多于國產TC4材料。鈦合金初生α相數量的增加，有利于提高鈦合金螺栓的疲勞壽命。