魏氏組織對(duì)TC16鈦合金絲材熱鐓性能影響的分析

解文卓，唐飛龍，王巧莉，蔡建明，陳星宇

（1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）（2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

關(guān)鍵字：TC16鈦合金；BT16鈦合金；魏氏組織；低倍組織；顯微組織；組織性能

1 前言

TC16鈦合金的名義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V，為α+β型兩相高強(qiáng)鈦合金，與俄羅斯BT16成分相同。TC16鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度為860℃±20℃。具有良好的工藝塑性，疲勞強(qiáng)度高，通過(guò)固溶時(shí)效或冷變形強(qiáng)化后抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1030～1080MPa，剪切強(qiáng)度為650～700MPa，并且對(duì)缺口、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)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(jī)用緊固件，包括螺栓、螺釘、螺母和環(huán)槽鉚釘桿等，主要用在后機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等部位。

TC16鈦合金緊固件用絲材，隨著溫度的不斷提高，β晶粒發(fā)生明顯變化。在890℃時(shí)，呈現(xiàn)明顯的魏氏組織，β晶界也在迅速長(zhǎng)大，原始β晶粒清晰可見(jiàn)，β晶界上分布少部分?jǐn)嚅_(kāi)的晶界α；加熱溫度增加到1050℃時(shí)，原始β晶粒清晰可見(jiàn)，類似β區(qū)加工組織，晶界內(nèi)有明顯的次生α相。這種組織與俄羅斯BT16鈦合金緊固件的顯微組織類似，但與國(guó)內(nèi)TC16鈦合金棒絲材等軸組織的要求有明顯差異，為了進(jìn)一步掌握組織過(guò)熱后出現(xiàn)的魏氏組織對(duì)TC16鈦合金絲材熱鐓性能的影響，同時(shí)也對(duì)俄羅斯BT16鈦合金緊固件試樣進(jìn)行了分析比對(duì)，可以根據(jù)用途為緊固件后續(xù)加工選擇不同的加熱溫度和加熱時(shí)間，為獲得不同的組織與性能以及大批量生產(chǎn)提供更優(yōu)的理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料選用某公司生產(chǎn)TC16鈦合金Ф6.1絲材，經(jīng)某廠加工成螺栓，具體工藝如下：

車削→硼化處理→熱鐓→噴砂→退火→固溶時(shí)效→酸洗→滾螺紋→冷擠→檢測(cè)

分別選取生產(chǎn)后滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的正常組織、加熱溫度為890℃和1050℃時(shí)的兩種TC16鈦合金棒材，加工成螺栓后，標(biāo)記為1#（正常試樣）、2#（中間試樣）和3#（過(guò)熱試樣）。

3 分析過(guò)程

3.1 低倍組織

用膠木粉鑲嵌在同一個(gè)試塊上，進(jìn)行磨制和腐蝕，觀察螺栓的縱向組織。螺栓縱向的低倍組織見(jiàn)圖1，1#試樣的桿部低倍為細(xì)小的清晰晶組織，螺帽部位經(jīng)鐓頭制備，大變形區(qū)的低倍呈現(xiàn)模糊晶組織；2#試樣的低倍為細(xì)小的半清晰晶組織；3#試樣的低倍為完全的模糊晶組織。下面分別描述三個(gè)螺栓的顯微組織特征。

圖1 低倍組織

3.2 高倍組織

（1）1#螺栓桿部縱向500倍顯微組織如圖2所示，為在β區(qū)加工得到的組織，β晶界清晰可見(jiàn)，β晶界上分布平直的晶界α，也存在少部分?jǐn)嚅_(kāi)的晶界α，晶界α寬度明顯大于晶內(nèi)的α片。經(jīng)測(cè)量，β晶粒的平均尺寸為137.1mm。一個(gè)β晶粒內(nèi)有若干個(gè)α集束，集束內(nèi)α相呈平行的長(zhǎng)條狀。

圖2 1#螺栓桿部縱向顯微組織

（2） 1#螺栓螺帽部位縱向的50倍顯微組織如圖3所示，螺帽經(jīng)過(guò)鐓制和后續(xù)的熱處理，組織可以分為三個(gè)區(qū)，即螺帽頂部的變形死區(qū)（A區(qū)）、鐓頭大變形區(qū)（B）和桿部的未變形區(qū)（C區(qū)），其中，大變形部位 500X顯微組織可以看出，組織已發(fā)生明顯細(xì)化，α相呈等軸化并有明顯的方向性，局部有少量的長(zhǎng)條α，具體如圖4所示。

圖3 1#螺栓螺帽部位縱向顯微組織

圖4 1#螺栓螺帽部鐓頭大變形區(qū)縱向顯微組織

（3）2#螺栓組織分析

2#螺栓桿部縱向不同倍數(shù)下的顯微組織如圖5（a）（b）所示，可以清晰分辨原始β晶界，原始β晶界上的α大多已破碎，呈長(zhǎng)條狀；螺栓桿部不同位置的原始β晶粒尺寸差異較大，圖5（a）所示的區(qū)域原始β晶粒尺寸在110mm左右，而圖5（b）所示區(qū)域的原始β晶粒尺寸在300mm左右；β晶粒內(nèi)的少量α呈短條狀或呈橢圓狀，說(shuō)明該螺栓試樣對(duì)應(yīng)的絲材發(fā)生過(guò)熱，但拉拔過(guò)程終止時(shí)絲材坯料溫度已落入α+β兩相區(qū)，絲材在α+β兩相區(qū)有較小的變形。在螺紋亞表面，顯微組織有明顯地被擠壓拉長(zhǎng)的痕跡。

圖5 2#螺栓桿部縱向顯微組織

（4） 3#螺栓組織分析

3#螺栓桿部和頭部縱向不同倍數(shù)下的顯微組織如圖6和圖7所示，為典型細(xì)小的雙態(tài)組織，初生α的平均尺寸為2mm，分布均勻，初生α沿著桿部長(zhǎng)軸方向呈較弱的方向性。在螺帽部位，在大變形量的鐓制過(guò)程中，初生α沿變形金屬流動(dòng)方向呈明顯的方向性。

圖6 3#螺栓桿部縱向顯微組織

圖7 3#螺栓螺帽部縱向顯微組織

3.3 力學(xué)性能分析

為了進(jìn)一步了解過(guò)熱組織與正常組織性能方面的差異，我們進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試項(xiàng)目包括：缺口敏感系數(shù)、破壞拉力、高低周疲勞、剪切性能等，結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 不同組織性能對(duì)比

通過(guò)性能分析可以看出，當(dāng)TC16鈦合金絲材加熱溫度分別為890℃和1050℃，高于相變點(diǎn)約100～200℃時(shí)，從鈦合金棒絲材到熱鐓至螺栓，后續(xù)生產(chǎn)材料組織沒(méi)有發(fā)生明顯變化，仍然保留著絲材組織形貌。從顯微組織角度分析，3#試樣顯微組織更加符合標(biāo)準(zhǔn)要求的等軸組織，1#和2#分別出現(xiàn)完整或部分完整β晶界，并有次生α相析出，這與標(biāo)準(zhǔn)要求不允許有長(zhǎng)條α相明顯不符；除此之外，其他性能方面均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)對(duì)過(guò)渡組織和魏氏組織以及正常等軸組織的材料性能進(jìn)行對(duì)比可以看出，除缺口敏感有所下降之外，其他性能都相當(dāng)。

3.4 俄制BT16鈦合金組織分析

為了更深層次地了解俄羅斯緊固件材料組織，對(duì)某公司提供的俄BT16鈦合金Ф5mm和Ф6mm絲材以及MJ5沉頭螺栓、MJ6六角頭螺栓（實(shí)物照片見(jiàn)圖8）進(jìn)行了顯微組織及流線分析。

圖8 某公司提供的MJ5沉頭螺栓和MJ6六角頭螺栓實(shí)物

（1）BT16鈦合金Ф5mm和Ф6mm絲材顯微組織

BT16鈦合金φ5mm和φ6mm絲材的顯微組織如圖9所示，為編織狀的細(xì)小網(wǎng)籃組織，原始β晶界不明顯。

（2）俄制BT16鈦合金螺栓組織分析

圖10給出了兩種規(guī)格的螺栓桿部橫截面不同位置的顯微組織。由圖11（a）、（c）可見(jiàn)，兩種規(guī)格的螺栓心部均為網(wǎng)籃組織，晶粒細(xì)小，α片長(zhǎng)度在10μm左右。由圖11（b）可見(jiàn)，MJ5螺栓邊緣組織和心部完全一樣，表明桿部未經(jīng)過(guò)任何強(qiáng)化處理；由圖11（d）可見(jiàn)，MJ6螺栓在靠近邊緣20μm以內(nèi)的區(qū)域顯微組織發(fā)生了不明顯的扭曲，這說(shuō)明與螺紋滾壓相比，桿部擠壓時(shí)的變形量相對(duì)較小，對(duì)顯微組織的影響也較小。

圖10 兩種規(guī)格的螺栓桿部不同部位的顯微組織

圖11 MJ5、MJ6螺栓不同位置的顯微組織

為進(jìn)一步確定俄螺栓使用時(shí)的熱處理狀態(tài)，圖12給出了BT16鈦合金φ6mm絲材不同熱處理狀態(tài)的顯微組織照片（熱處理按俄工藝文件中給定的典型制度進(jìn)行）。由圖12（a）可見(jiàn)，退火狀態(tài)下的顯微組織中初生α相在60%左右；由圖12（b）可見(jiàn)，固溶時(shí)效的顯微組織中初生α相占40%左右，β基體上有大量細(xì)小彌散分布的次生α相。MJ5、MJ6螺栓的顯微組織顯然與圖12(a)一致。由此說(shuō)明，與顯微硬度的試驗(yàn)結(jié)果一致，從組織上分析，MJ5和MJ6螺栓都是退火狀態(tài)下使用的[1]。

圖12 BT16鈦合金φ6mm絲材不同熱處理狀態(tài)的顯微組織

通過(guò)對(duì)俄制BT16鈦合金緊固件絲材和緊固件實(shí)物的金相分析，其顯微組織為細(xì)小的片層組織，有些呈現(xiàn)編織狀的網(wǎng)籃組織，原始β晶界不明顯，不存在連續(xù)的晶界α相[2]。根據(jù)俄標(biāo)OCT1 90202-1975《BT16鈦合金熱軋棒材》和OCT1 90201-1975《鈦合金磨光和機(jī)械精整棒材》對(duì)顯微組織的要求，以及上述標(biāo)準(zhǔn)顯微組織評(píng)級(jí)圖的排列順序可知，BT16鈦合金緊固件盡量要得到經(jīng)α+β兩相區(qū)充分變形和熱處理的等軸組織，這與俄制BT16鈦合金絲材以及緊固件實(shí)物的顯微組織不相符。

4 總結(jié)

通過(guò)加熱溫度對(duì)組織和性能影響的研究，可以得出以下幾方面結(jié)論：

（1）在單相區(qū)加熱時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TC16鈦合金絲材顯微組織為典型的等軸組織。隨著加熱溫度的不斷提高，在840℃～1050℃時(shí)進(jìn)行加熱時(shí)，試樣840℃下為兩相區(qū)加工組織，無(wú)β晶界形成，860℃時(shí)發(fā)生相變，出現(xiàn)完整的β晶界，隨著加熱溫度的不斷升高，β晶粒迅速長(zhǎng)大，加熱溫度提高到870℃時(shí)，形成魏氏組織，晶粒較大，晶界明顯。在840℃～1050℃時(shí)，試樣平均晶粒尺寸為2um～180um之間，840℃時(shí)顯微組織更符合加工要求。

（2）對(duì)棒材試樣力學(xué)性能對(duì)比，在840℃時(shí)棒材綜合性能最優(yōu)，隨著溫度的不斷增加，棒材的拉伸強(qiáng)度及塑性指標(biāo)明顯下降，剪切性能略降。從過(guò)渡組織試樣和魏氏組織螺釘高倍組織與熱處理復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)看，螺釘晶粒尺寸在100～300μm，平均尺寸為137μm。顯微組織為完全的片層組織，β晶界清晰可見(jiàn)，β晶界上分布平直的晶界α，一個(gè)β晶粒內(nèi)有若干個(gè)α集束，集束內(nèi)α相呈平行的長(zhǎng)條狀。

（3）通過(guò)對(duì)俄制BT16鈦合金絲材和緊固件實(shí)物的金相分析，其顯微組織為細(xì)小的片層組織，有些呈現(xiàn)編織狀的網(wǎng)籃組織，原始β晶界不明顯，不存在連續(xù)的晶界α相。

（4）根據(jù)俄標(biāo)OCT1 90202-1975《BT16鈦合金熱軋棒材》和OCT1 90201-1975《鈦合金磨光和機(jī)械精整棒材》對(duì)顯微組織的要求，以及上述標(biāo)準(zhǔn)顯微組織評(píng)級(jí)圖的排列順序可知，國(guó)內(nèi)TC16鈦合金緊固件盡量要得到經(jīng)α+β兩相區(qū)充分變形和熱處理的等軸組織，這與俄制BT16鈦合金絲材和緊固件實(shí)物的顯微組織不相符。