引言

鈦是20世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種重要的金 屬材料,具有熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低等特點(diǎn)，在常溫下 為密排六方結(jié)構(gòu)的α相,在882℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變, 變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β相（鈦合金具有低密度、高比強(qiáng) 度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)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(lǐng)域中 使用比例也越來(lái)越高，其應(yīng)用水平已成為衡量飛行器選材先進(jìn)程度的一個(gè)重要標(biāo)志。

鈦合金緊固件制造工藝一般包括：常見(jiàn)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(shí)效 等,表面處理有陽(yáng)極氧化、M0S₂涂層、噴涂鋁等）TC4相當(dāng)于國(guó)外的Ti-6A1-4V，是航空航天緊固件領(lǐng)域應(yīng)用最為 廣泛的鈦合金材料牌號(hào)，產(chǎn)品類型主要包括各種頭型的鈦螺栓、螺釘以及少量螺母％本文簡(jiǎn)要介紹了TC4鈦螺栓在制造過(guò)程中存在的常見(jiàn)典型缺陷及成因，并提出了相應(yīng) 的預(yù)防措施）

1、 TC4材料特性

TC4是一種中等強(qiáng)度的α+β型雙相鈦合金，含有6% 的!相穩(wěn)定元素A1和4%的"相穩(wěn)定元素V）該牌號(hào)具 有優(yōu)異的綜合性能,長(zhǎng)時(shí)間工作溫度可達(dá)400℃,在航空 航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用）在室溫下退火態(tài)TC4顯微組織為大量的α（hep ）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95 , α相為密排六方結(jié)構(gòu), 其滑移系只有3個(gè),β相為體心立方結(jié)構(gòu)，其滑移系為12個(gè),由于α相滑移系較少，導(dǎo)致其冷變形能力較差;TC4導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高，彈性模量小，加工硬化嚴(yán)重，刀具壽命短、加工效率較低;磨削時(shí)易產(chǎn)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。

2、 TC4鈦合金螺栓通用加工工藝

TC4鈦合金螺栓常見(jiàn)加工工藝為：下料一熱鐓(溫鐓)一噴砂一熱處理(固溶+時(shí)效)一精車一滾圓角(頭下R)—滾絲一無(wú)損探傷一表面處理。為了保證頭部金屬流線的連續(xù)性，提升螺栓的疲勞性能，頭部成形時(shí)常采用熱鐓(或溫鐓)方式；精車目的是去除熱處理過(guò)程中產(chǎn)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(jié)合部位需要滾圓角強(qiáng)化，提升頭、桿結(jié)合處強(qiáng)度，避免在使用過(guò)程中岀現(xiàn)掉頭現(xiàn)象；螺紋通常采用一次滾壓成形；螺栓最終性能可達(dá)到抗拉強(qiáng)度≥1100MPa,剪切

強(qiáng)度≥670MPa。

3、TC4鈦合金螺栓常見(jiàn)加工缺陷及預(yù)防措施

根據(jù)TC4鈦合金螺栓常用加工工藝結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，TC4螺栓常見(jiàn)缺陷主要集中在熱鐓、熱處理及滾絲等關(guān)鍵工序。

3.1熱鐓常見(jiàn)加工缺陷及預(yù)防

由于TC4冷變形能力較差，冷鐓時(shí)易產(chǎn)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(guò)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顯示了 TC4螺栓熱鐓成形時(shí)常見(jiàn)典型加工缺陷。圖1(a)原材料為退火態(tài)的α相+晶間β相組織；圖1(b)熱鐓過(guò)熱組織呈近似等軸狀，晶內(nèi)次生α相呈短針狀；圖1(c)成形時(shí)流線流動(dòng)不暢，造成的折疊；圖1(d)沉頭和十字槽一體成形時(shí)，形成的絕熱剪切帶狀組織和空洞缺陷。

線圈高頻加熱時(shí)，由于電流的集膚效應(yīng)，熱量主要集中在加熱部位表面，對(duì)于小規(guī)格螺栓可采用高頻加熱，對(duì)于大規(guī)格螺栓應(yīng)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(guò)890℃；由于TC4導(dǎo)熱性差，屬于絕熱敏感材料，在高速成形過(guò)程中，大量變形功轉(zhuǎn)化為熱量且無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散，材料就會(huì)發(fā)生局部“熱穩(wěn)失效”，這一區(qū)域與周圍基體的顯微組織存在較大差異，此變形區(qū)域即為絕熱剪切帶。由于絕熱剪切帶是一種局部失穩(wěn)現(xiàn)象，當(dāng)岀現(xiàn)絕熱剪切帶時(shí)，材料 承載能力顯著下降性因此,TC4螺栓頭部鐓制成形時(shí)，尤其是大變形量頭型，如沉頭和十字槽一體成形，應(yīng)注意適當(dāng)提升溫度和增加保溫時(shí)間，以免在成形過(guò)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(nèi)部，在后續(xù)探傷工序中無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

3.2熱處理常見(jiàn)加工缺陷及預(yù)防

TC4鈦合金螺栓熱處理時(shí)，需要真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境，熱處理方式為固溶+時(shí)效。固溶處理加熱溫:度一般控制在α/β相轉(zhuǎn)變溫度以下(30 -60)",以保證初生α相在15%~50%范圍內(nèi)，時(shí)效溫度一般選擇538℃保溫(4~8)h空冷。熱處理過(guò)程常見(jiàn)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(zhuǎn)變的"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(guò):熱魏氏組織，固溶溫度較高，在相變點(diǎn)溫度附近，基本無(wú)初生α相，晶內(nèi)呈長(zhǎng)針狀的α'相；圖2(d)熱鐓過(guò)熱組織,經(jīng)正常固溶和時(shí)效處理后，組織仍然為短針狀和網(wǎng)狀的α相及次生α相的魏氏組織，由于熱鐓加熱時(shí)間短，所形成的魏氏組織比熱處理魏氏組織細(xì)小。

表面污染層(α層)是環(huán)境氣氛中的氧、氮、碳等小原子元素，在加熱過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)品表面溫度達(dá)到一定的范圍時(shí)，這些元素會(huì)通過(guò)擴(kuò)散滲入產(chǎn)品表面，從而產(chǎn)生由于α穩(wěn)定劑引起的污染％表面污染層對(duì)鈦合金產(chǎn)品的斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度、疲勞及沖擊性能等具有明顯的影響叫預(yù)防措施是TC4螺栓在熱處理進(jìn)爐前，清洗干凈且徹底烘干，無(wú)油污及其他污物附著，定期清潔爐膛，在處理過(guò)程中應(yīng)：保證爐子的真空度；充入惰性氣體保護(hù)時(shí)，應(yīng)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(dāng)或熱處理爐出現(xiàn)問(wèn)題，造成加熱溫度過(guò)高，二是熱鐓局部過(guò)熱產(chǎn)生的魏氏組織，熱處理無(wú)法補(bǔ)救；對(duì)于魏氏組織缺陷的預(yù)防，應(yīng)合理控制熱處理工藝，定期校準(zhǔn)真空爐，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整工藝和維修設(shè)備。

3.3常見(jiàn)滾絲缺陷及預(yù)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(yīng)力和保持金屬流線的連續(xù)性％螺紋在擠壓成形過(guò)程中常見(jiàn)缺陷有開(kāi)裂、折疊和螺紋微觀組織剪切等缺陷。具體如圖3所示。

圖3顯示了 TC4鈦合金螺栓在冷滾壓螺紋加工過(guò)程中存在的典型缺陷。圖3(a)由于時(shí)效后強(qiáng)度較高，導(dǎo)致滾絲時(shí)螺紋開(kāi)裂，折疊和開(kāi)裂主要集中在牙頂部位；圖3(b)牙根處產(chǎn)生的“V”型微觀剪切帶狀組織缺陷。導(dǎo)致螺紋折疊和開(kāi)裂的因素主要有：螺紋牙成形過(guò)程中，牙頂主要受拉應(yīng)力作用而牙根受壓應(yīng)力作用；螺栓時(shí)效后強(qiáng)度較高，導(dǎo)致塑性變差；螺紋螺坯桿表面較為粗糙，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；滾絲前未對(duì)滾絲輪清洗，滾絲輪上可能有附著物；滾絲前調(diào)機(jī)時(shí)的螺紋對(duì)中問(wèn)題等。為了減少牙頂折疊和開(kāi)裂傾向，應(yīng)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(shí)應(yīng)注意潤(rùn)滑冷卻以免產(chǎn)生燒傷；滾絲前，對(duì)滾絲輪進(jìn)行清洗，去除表面附著物；提高操作人員的責(zé)任心和熟練程度等。螺紋滾壓時(shí)，所受到的剪切應(yīng)力較大，由于螺紋成形速率較快，當(dāng)TC4顯微組織為初生!相+轉(zhuǎn)變的"相時(shí)，即時(shí)效態(tài)顯微組織，較易產(chǎn)生絕熱剪切帶?？刹捎媒档蜐L壓成形速率和加大冷卻進(jìn)行改善。

4、結(jié)論

TC4是國(guó)內(nèi)航空航天緊固件領(lǐng)域使用最為廣泛的鈦合金牌號(hào)。由于我國(guó)鈦合金緊固件研發(fā)及制造起步較晚，工藝成熟度還相對(duì)較低。緊固件制造過(guò)程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，綜合分析了TC4鈦螺栓成形過(guò)程中常見(jiàn)典型缺陷及形成原因，針對(duì)不同的缺陷制定了相應(yīng)的預(yù)防措施，為鈦合金螺栓工藝優(yōu)化提供支持，促進(jìn)TC4鈦合金緊固件整體質(zhì)量的提升。

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