隨著對飛機(jī)先進(jìn)性要求的提高，對緊固件材料的要求越來越高，高強(qiáng)度、高減重、耐腐蝕、無磁性、與復(fù)合材料相容性好的鈦合金逐漸成為先進(jìn)飛機(jī)鈦標(biāo)準(zhǔn)件材料的首要選擇［1-4］。鈦合金的熱處理方式通常包括退火和固溶+時(shí)效處理［5］，而固溶+時(shí)效的熱處理方式是獲得高強(qiáng)度緊固件的有效措施。TC4(Ti-6Al-4V)合金作為雙相鈦合金，由于其良好的綜合性能及工藝特性，成為鈦工業(yè)中的王牌合金，被廣泛地應(yīng)用于化工、電力、航空航天、體育器械等領(lǐng)域［6］。TC4鈦合金經(jīng)固溶+時(shí)效處理后可以獲得穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相，而等軸α相使合金的綜合力學(xué)性能得到提升，彌散的馬氏體α'相使合金的強(qiáng)度、硬度提高，塑性韌性下降［7］。棒材在固溶時(shí)效過程中不同位置的冷卻速度存在差異，而冷卻速度是影響組織和性能的主要因素之一［8］，因此，本文通過對航天用緊固件TC4鈦合金棒材進(jìn)行固溶時(shí)效處理，觀察并檢測試樣邊部至心部的顯微組織、顯微硬度和室溫拉伸性能，探究冷卻速度對緊固件用TC4鈦合金組織與性能的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采用航天緊固件材料TC4鈦合金φ25mm的鈦棒材作為試驗(yàn)用料，該棒材經(jīng)真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制制成，其鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620.1—2016中《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分》的要求，如表1所示。

1.2試驗(yàn)方法

將直徑為φ25mm，長度為80mm的棒材于960℃裝爐，待爐溫升至960℃后保溫1h，取出水冷，延遲淬火時(shí)間不超過5s，隨后進(jìn)行550℃保溫8h的時(shí)效處理。取試樣端部(L)和中部(L/2)處制成金相試樣，采用OLYMPICSPLAG3光學(xué)顯微鏡分別觀察L和L/2處截面上邊部至心部的顯微組織(見圖1(a))，同時(shí)采用硬度計(jì)檢測L和L/2處截面上邊部至心部的顯微硬度值，檢測位置見圖1(b)，硬度采用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測量，荷載砝碼為500g，保壓時(shí)間為10s。

在同一支φ25mm棒材上連續(xù)取4支80mm長的試樣，其中2支試樣在其中心縱向掏出φ8mm的棒材，剩余部分標(biāo)記為3號、4號試樣，剩余2支試樣標(biāo)記為1號和2號(見圖2)。同時(shí)采用960℃×1h，水冷+550℃×8h的熱處理制度對4支試樣進(jìn)行固溶時(shí)效處理，并檢測其室溫拉伸性能。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1冷卻速度對顯微組織的影響

對于大多數(shù)鈦合金而言，其力學(xué)性能很大程度上取決于α相的含量和形態(tài)，其中在兩相區(qū)保溫過程中等軸α相能夠?qū)Ζ孪嗥鸬结斣饔茫种痞孪嗟拈L大，提高材料的塑性和抗疲勞特性;片狀α相具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性［8-10］;針狀α相均勻地分布在β相基體上，能夠起到彌散強(qiáng)化效果［11-13］。

試樣端部(L)和中部(L/2)截面上的顯微組織如圖3所示，其中圖3(a～c)是試樣端部(L)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織，圖3(d～f)是試樣中部(L/2)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織。從圖3可以看出，合金的組織受冷卻速度的影響較明顯。固溶時(shí)效后的顯微組織為混合組織，包含穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相［13］。初生α相含量與固溶溫度有關(guān)［11］，因此初生α相含量和形態(tài)沒有明顯差別，L截面在冷卻過程中與水接觸，不同位置的冷卻速度相差不大，次生α相的形態(tài)和含量沒有明顯差異［14］;L/2截面上邊部至心部的冷卻速度逐漸減小，而冷卻速度直接決定次生α相的片層厚度，在組織上表現(xiàn)為次生α相含量增多，同時(shí)次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化，見圖3(d～f);對比L截面與L/2截面也可發(fā)現(xiàn)圖3(a～d)的組織形態(tài)類似，但圖3(e，f)組織中初生α相含量少于邊部組織。

2.2冷卻速度對硬度的影響

試樣L和L/2截面上邊部至心部的顯微硬度值如圖4所示。從圖4可以看出，L截面因冷卻速度相差不大所以顯微硬度值沒有明顯區(qū)別，L/2截面上由試樣邊部至心部的顯微硬度值呈總體下降趨勢，同時(shí)L/2截面上邊部的顯微硬度值與L截面相差不大，此結(jié)果與理論相符合［15-16］。

2.3冷卻速度對室溫拉伸性能的影響

4支試樣的室溫拉伸性能見表2，從表2可以看出，4支試樣的伸長率均符合GJB2219—1994《緊固件用鈦合金棒(線)材規(guī)范》要求，3、4號試樣的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度明顯高于1、2號試樣，且符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這是因?yàn)?、2號試樣的心部在固溶時(shí)效時(shí)冷卻緩慢，而3、4號試樣是在去掉心部后直接進(jìn)行固溶時(shí)效處理，能得到充分的加熱從而保留較多的初生α相，同時(shí)冷速較快使等軸狀次生α相含量減少，這種有較多初生α相和較少次生α相的雙態(tài)組織會使合金的強(qiáng)度升高，塑性降低。

通過4支試樣的室溫拉伸性能比較，可以認(rèn)為固溶時(shí)效過程中的冷卻速度通過影響初生α相的含量以及次生α相含量和形態(tài)從而影響試樣的室溫拉伸性能。

3、結(jié)論

1)TC4鈦合金棒材經(jīng)固溶時(shí)效處理后心部和表面的組織與性能受冷卻速度的影響呈現(xiàn)顯著差異。

2)TC4鈦合金棒材固溶時(shí)效后的顯微組織由穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相組成，試樣端面上次生α相的形態(tài)和含量沒有明顯差異;中部截面上邊部至心部的次生α相含量逐漸增多，同時(shí)次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化;對比端部與中部截面邊部初生α相含量和形態(tài)沒有明顯差異。

3)TC4鈦合金棒材端面上顯微硬度值沒有明顯差異，但中部截面上由邊部至心部的顯微硬度值呈總體降低趨勢，且中部截面上邊部的顯微硬度值與端面相差不大。

4)TC4鈦合金棒材心部因固溶過程中冷卻緩慢，棒材整體試樣的室溫拉伸性能不符合標(biāo)準(zhǔn)，且明顯低于去除心部的試樣。

參考文獻(xiàn):

［1］趙永慶，辛社偉，陳永楠，等．新型合金材料-鈦合金［M］．北京:中國鐵道出版社，2017．

［2］吳全興．鈦合金在航空產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及加工方法［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2013，30(3):42-43．

［3］董瑞峰，李金山，唐斌，等．航空緊固件用鈦合金材料發(fā)展現(xiàn)狀［J］．航空制造技術(shù)，2018，61(4):86-91．

DongＲuifeng，LiJinshan，TangBin，etal．Developmentstatusoftitaniumalloymaterialsforaviationfasteners［J］．AeronauticalManufacturingTechnology，2018，61(4):86-91．

［4］張慶玲，王慶如，李興無．航空用鈦合金緊固件選材分析［J］．材料工程，2007(1):11-14．

ZhangQingling，WangQingru，LiXingwu．Materialselectionanalysisoftitaniumalloyfastenersforaviation［J］．MaterialsEngineering，2007(1):11-14．

［5］張樹啟．緊固件用高強(qiáng)度鈦合金的發(fā)展［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，1998(5):1-3．

［6］李蒙，鳳偉中，關(guān)蕾，等．航空航天緊固件用鈦合金材料綜述［J］．有色金屬材料與工程，2018，39(4):50-53．

LiMeng，F(xiàn)engWeizhong，GuanLei，etal．Ｒeviewontitaniumalloymaterialsforaerospacefasteners［J］．NonferrousMetalsMaterialsandEngineering，2018，39(4):50-53．

［7］鄒海貝．TC4鈦合金熱處理強(qiáng)化工藝及相變行為研究［D］．秦皇島:燕山大學(xué)，2019．

ZouHaibei．Studyonheattreatmentenhancementandphasetransformationbehavioroftitaniumalloy［D］．Qinhuangdao:YanshanUniversity，2019．

［8］欽蘭云，李明東，楊光，等．熱處理對激光沉積TC4鈦合金組織與力學(xué)性能的影響［J］．稀有金屬，2018(7):698-704．

QinLanyun，LiMingdong，YangGuang，etal．EffectofheattreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesoflaserdepositedTC4titaniumalloy［J］．ＲareMetals，2018(7):698-704．

［9］鄭超．微觀組織對Ti-6Al-4V鈦合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和抗彈性能影響規(guī)律的研究［D］．北京:北京理工大學(xué)，2015．

ZhengChao．EffectofmicrostructureondynamicmechanicalpropertiesandelasticpropertiesofTi-6Al-4Vtitaniumalloy［D］．Beijing:BeijingInstituteofTechnology，2015．

［10］夏麒帆，梁益龍，楊春林，等．TC4鈦合金拉伸變形行為的研究［J］．稀有金屬，2019(7):765-773．

XiaQifan，LiangYilong，YangChunlin，etal．StudyontensiledeformationbehaviorofTC4titaniumalloy［J］．ＲareMetals，2019(7):765-773．

［11］孟憲偉，趙錦秀，程建雄，等．TC4鈦合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］．裝備制造與教育，2019(3):28-30．

MengXianwei，ZhaoJinxiu，ChengJianxiong，etal．ＲesearchstatusanddevelopmentofheattreatmentprocessofTC4titaniumalloy［J］．EquipmentManufacturingandEducation，2019(3):28-30．

［12］YangShun，LiHong，LuoJiao，etal．Predictionmodelforflowstressduringisothermalcompressioninα+βphasefieldofTC4alloy［J］．ＲareMetals，2018(5):369-375．

［13］劉繼雄，楊奇，郭志軍，等．熱等靜壓處理后TC4鈦合金中等軸α相特征及其對拉伸性能的影響［J］．機(jī)械工程材料，2015(5):10-12．

LiuJixiong，YangQi，GuoZhijun，etal．EffectsofhotisostaticpressingontensilepropertiesofTC4titaniumalloy［J］．MaterialsforMechanicalEngineering，2015(5):10-12．

［14］辛社偉，趙永慶．關(guān)于鈦合金熱處理和析出相的討論［J］．金屬熱處理，2006，31(9):39-42．

XinShewei，ZhaoYongqing．Discussiononheattreatmentandprecipitatesoftitaniumalloy［J］．HeatTreatmentofMetals，2006，31(9):39-42．

［15］紀(jì)小虎，李萍，時(shí)迎賓，等．TA15鈦合金等溫多向鍛造晶粒細(xì)化機(jī)理與力學(xué)性能［J］．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2019，29(11):2516-2522．

JiXiaohu，LiPing，ShiYingbin，etal．GrainrefinementmechanismandmechanicalpropertiesofTA15titaniumalloybyisothermalmultidirectionalforging［J］．TheChineseJournalofNonferrousMetals，2019，29(11):2516-2522．

［16］丁燦，汪常亮，李峰，等．固溶-冷速-時(shí)效對TC4-DT合金顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］．稀有金屬材料與工程，2020，49(3):963-967．

DingCan，WangChangliang，LiFeng，etal．Effectofsolution-coolingrate-agingonmicrostructureandmechanicalpropertiesofTC4-DTalloy［J］．ＲareMetalMaterialsandEngineering，2020，49(3):963-967．

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