TC4 鈦合金螺栓典型加工缺陷分析及預防

許永春， 鄭高峰， 殷小健， 周 杰， 沈 鵬， 董晨曦

（1.河南省緊固連接技術重點實驗室， 河南信陽464000； 2.河南航天精工制造有限公司， 河南信陽464000；3.空裝駐鄭州地區軍事代表室， 河南鄭州 450000）

0 引言

鈦是20 世紀50 年代開始發展起來的一種重要的金屬材料，具有熱膨脹系數小、熱導率低等特點，在常溫下為密排六方結構的α 相，在882℃時發生同素異構轉變，變為體心立方結構的β 相。 鈦合金具有低密度、高比強度、耐高溫、抗腐蝕等優異的綜合性能。 由于航空航天裝備的輕量化需求， 鈦合金材料在航空航天緊固件領域中使用比例也越來越高， 其應用水平已成為衡量飛行器選材先進程度的一個重要標志[1-3]。

鈦合金緊固件制造工藝一般包括： 常見成形工藝如鐓制、碾桿、縮徑及滾螺紋等，熱處理如退火、固溶及時效等，表面處理有陽極氧化、 MoS2涂層、噴涂鋁等。 TC4 相當于國外的Ti-6Al-4V，是航空航天緊固件領域應用最為廣泛的鈦合金材料牌號， 產品類型主要包括各種頭型的螺栓、螺釘以及少量螺母[4]。 本文簡要介紹了TC4 螺栓在制造過程中存在的常見典型缺陷及成因， 并提出了相應的預防措施。

1 TC4 材料特性

TC4 是一種中等強度的α+β 型雙相鈦合金，含有6%的α 相穩定元素Al 和4%的β 相穩定元素V。 該牌號具有優異的綜合性能，長時間工作溫度可達400℃，在航空航天領域得到了廣泛應用。 在室溫下退火態TC4 顯微組織為大量的α（hcp）相+少量的β（bcc）相。 滑移系的多少是影響金屬塑性好壞的重要因素[5]，α 相為密排六方結構，其滑移系只有3 個，β 相為體心立方結構， 其滑移系為12個，由于α 相滑移系較少，導致其冷變形能力較差；TC4 導熱性差、化學活性高，彈性模量小，加工硬化嚴重，刀具壽命短、加工效率較低；磨削時易產生燒傷、變形等缺陷。 TC4相變溫度通常為（970～1010）℃，由于淬透性較差，螺栓加工尺寸通常在19mm 以下[6]。

2 TC4 鈦合金螺栓通用加工工藝

TC4 鈦合金螺栓常見加工工藝為： 下料—熱鐓 （溫鐓）—噴砂—熱處理（固溶+時效）—精車—滾圓角（頭下R）—滾絲—無損探傷—表面處理。 為了保證頭部金屬流線的連續性，提升螺栓的疲勞性能，頭部成形時常采用熱鐓（或溫鐓）方式；精車目的是去除熱處理過程中產生的表面污染層和提高螺紋加工部位表面光潔度； 精車后在頭、桿結合部位需要滾圓角強化，提升頭、桿結合處強度，避免在使用過程中出現掉頭現象； 螺紋通常采用一次滾壓成形；螺栓最終性能可達到抗拉強度≥1100MPa，剪切強度≥670MPa。

3 TC4 鈦合金螺栓常見加工缺陷及預防措施

根據TC4 鈦合金螺栓常用加工工藝結合實際生產，TC4 螺栓常見缺陷主要集中在熱鐓、 熱處理及滾絲等關鍵工序。

3.1 熱鐓常見加工缺陷及預防

由于TC4 冷變形能力較差，冷鐓時易產生裂紋、折疊等缺陷，螺栓頭部成形常采用熱鐓方式。熱鐓是通過線圈高頻加熱后，在沖床上快速成形的一種方法。 TC4 鈦合金螺栓熱鐓典型缺陷如圖1 所示。

圖1 熱鐓常見典型缺陷Fig.1 Common typical defects in hot heading

圖1 顯示了TC4 螺栓熱鐓成形時常見典型加工缺陷。 圖1（a）原材料為退火態的α 相+晶間β 相組織；圖1（b） 熱鐓過熱組織呈近似等軸狀， 晶內次生α 相呈短針狀；圖1（c）成形時流線流動不暢，造成的折疊；圖1（d）沉頭和十字槽一體成形時， 形成的絕熱剪切帶狀組織和空洞缺陷。

線圈高頻加熱時，由于電流的集膚效應，熱量主要集中在加熱部位表面， 對于小規格螺栓可采用高頻加熱，對于大規格螺栓應采用中頻加熱方式，更能保證加熱的均勻性， 資料表明熱鐓加熱溫度不宜超過890℃[7]；由于TC4 導熱性差，屬于絕熱敏感材料，在高速成形過程中，大量變形功轉化為熱量且無法及時擴散，材料就會發生局部“熱穩失效”， 這一區域與周圍基體的顯微組織存在較大差異，此變形區域即為絕熱剪切帶。由于絕熱剪切帶是一種局部失穩現象，當出現絕熱剪切帶時，材料承載能力顯著下降[8]。 因此，TC4 螺栓頭部鐓制成形時，尤其是大變形量頭型，如沉頭和十字槽一體成形，應注意適當提升溫度和增加保溫時間，以免在成形過程中，由于成形速率快，受剪切作用力而形成絕熱剪切帶和空洞。此缺陷主要位于螺栓內部，在后續探傷工序中無法準確識別，存在一定的質量風險。

3.2 熱處理常見加工缺陷及預防

TC4 鈦合金螺栓熱處理時， 需要真空或惰性氣體保護環境，熱處理方式為固溶+時效。 固溶處理加熱溫度一般控制在α/β 相轉變溫度以下（30～60）℃，以保證初生α 相在15%～50%范圍內， 時效溫度一般選擇538℃保溫（4～8）h 空冷。 熱處理過程常見典型缺陷如圖2 所示。

圖2 顯示了熱處理典型缺陷組織。圖2（a）熱處理后正常顯微組織，初生α 相和轉變的β 相組織；圖2（b）表面污染層，表面存在密集的α 相和顯微裂紋；圖2（c）過熱魏氏組織，固溶溫度較高，在相變點溫度附近，基本無初生α 相，晶內呈長針狀的α′ 相；圖2（d）熱鐓過熱組織，經正常固溶和時效處理后， 組織仍然為短針狀和網狀的α′相及次生α 相的魏氏組織，由于熱鐓加熱時間短，所形成的魏氏組織比熱處理魏氏組織細小。

圖2 熱處理典型缺陷組織Fig.2 Common typical defects in heat treatment

表面污染層（α 層）是環境氣氛中的氧、氮、碳等小原子元素，在加熱過程中，當產品表面溫度達到一定的范圍時，這些元素會通過擴散滲入產品表面，從而產生由于α穩定劑引起的污染。 表面污染層對鈦合金產品的斷裂韌性、抗拉強度、疲勞及沖擊性能等具有明顯的影響[9]，預防措施是TC4 螺栓在熱處理進爐前，清洗干凈且徹底烘干，無油污及其他污物附著，定期清潔爐膛，在處理過程中應保證爐子的真空度；充入惰性氣體保護時，應確保惰性氣體的純度。魏氏組織缺陷主要為兩類，一為熱處理工藝不當或熱處理爐出現問題，造成加熱溫度過高，二是熱鐓局部過熱產生的魏氏組織，熱處理無法補救；對于魏氏組織缺陷的預防，應合理控制熱處理工藝，定期校準真空爐，發現問題及時調整工藝和維修設備。

3.3 常見滾絲缺陷及預防

為了保證TC4 螺栓螺紋部位具有良好的疲勞性能，螺紋宜采用冷滾壓成形， 使牙根部位存在較大的壓應力和保持金屬流線的連續性。 螺紋在擠壓成形過程中常見缺陷有開裂、折疊和螺紋微觀組織剪切等缺陷。具體如圖3 所示。

圖3 螺栓滾絲常見缺陷Fig.3 Common defects of bolt thread rolling

圖3 顯示了TC4 鈦合金螺栓在冷滾壓螺紋加工過程中存在的典型缺陷。圖3（a）由于時效后強度較高，導致滾絲時螺紋開裂， 折疊和開裂主要集中在牙頂部位； 圖3（b）牙根處產生的“V”型微觀剪切帶狀組織缺陷。

導致螺紋折疊和開裂的因素主要有： 螺紋牙成形過程中，牙頂主要受拉應力作用而牙根受壓應力作用；螺栓時效后強度較高，導致塑性變差；螺紋螺坯桿表面較為粗糙，存在應力集中現象；滾絲前未對滾絲輪清洗，滾絲輪上可能有附著物；滾絲前調機時的螺紋對中問題等。為了減少牙頂折疊和開裂傾向，應采取以下措施：提高螺紋加工部位表面光潔度，可采用磨削加工，磨削時應注意潤滑冷卻以免產生燒傷；滾絲前，對滾絲輪進行清洗，去除表面附著物；提高操作人員的責任心和熟練程度等。螺紋滾壓時，所受到的剪切應力較大，由于螺紋成形速率較快，當TC4 顯微組織為初生α 相+轉變的β 相時， 即時效態顯微組織，較易產生絕熱剪切帶[10]。 可采用降低滾壓成形速率和加大冷卻進行改善。

4 結論

TC4 是國內航空航天緊固件領域使用最為廣泛的鈦合金牌號。由于我國鈦合金緊固件研發及制造起步較晚，工藝成熟度還相對較低。 緊固件制造過程中的質量控制至關重要，本文結合生產實際，綜合分析了TC4 螺栓成形過程中常見典型缺陷及形成原因， 針對不同的缺陷制定了相應的預防措施，為鈦合金螺栓工藝優化提供支持，促進TC4 鈦合金緊固件整體質量的提升。