航空鈦合金緊固件具有較高的強(qiáng)度，且質(zhì)量輕，具有耐腐蝕性，在航空領(lǐng)域得到快速發(fā)展，目前常采用熱鐓方式進(jìn)行鈦合金緊固件成型。根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，相比歐美熱鐓產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，俄國(guó)冷鐓鈦合金緊固件的制造成本僅是前者的 40%左右，目前 BT16 鈦合金是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性冷墩加工的航空緊固件鈦合金材料，因此針對(duì)鈦合金冷鐓性能的相關(guān)研究具有十分重要的意義。TC16 鈦合金是一種兩相鈦合金，是本世紀(jì)在俄制 BT16 鈦合金的基礎(chǔ)上研發(fā)的具有良好工藝塑性的材料。BT16 鈦合金其力學(xué)性能工藝塑性較好，在航空領(lǐng)域 獲得廣泛應(yīng)用，使用退火狀態(tài) BT16 鈦合金經(jīng)冷鐓制備航空緊固件技術(shù)目前已經(jīng)基本成熟，相對(duì) BT16 材料來(lái)說(shuō)，TC16 鈦合金同樣具有良好的工藝塑性和力學(xué)技能，但由于冷鐓技術(shù)不成熟，因此最終的成品合格率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。在本研究中使用快速頂鍛試驗(yàn)機(jī)，能夠針對(duì) TC16 鈦合金樣品進(jìn)行自由冷鐓實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際生產(chǎn)的冷墩件相比其變形速率基本接近，能夠達(dá)到每秒 75 毫米，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)之后的樣品進(jìn)行顯微組織硬度和相轉(zhuǎn)變檢測(cè)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)經(jīng)冷鐓變形之后，該材料微結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程，進(jìn)一步研究 TC16 冷鐓加工的機(jī)制。

1、 實(shí)驗(yàn)方法

在本研究中使用 TC16 鈦合金材料，檢測(cè)其化學(xué)成分如下表所示。

通過(guò) 780 攝氏度退火持續(xù)兩小時(shí)保溫之后，將其爐溫冷卻到 55攝氏度，空冷處理獲得等細(xì)晶組織，將鈦合金材料加工成尺寸為 8×16 毫米的短棒，用于持續(xù)冷鐓實(shí)驗(yàn)的樣品，利用顯微硬度計(jì)對(duì)原有樣品的硬度進(jìn)行測(cè)試，其數(shù)值為 2.3GPa。利用快速頂鐓鍛實(shí)驗(yàn)機(jī)開(kāi)展持續(xù)性冷鐓實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而使樣品的鍛壓比分別為 1/2，1/4，1/6以及 1/8，其變形程度依次增加，冷鐓速度與航空緊固件實(shí)際生產(chǎn)工藝接近，達(dá)到每秒鐘 75 毫米，利用維氏顯微硬度計(jì)進(jìn)行冷墩樣品處理后，樣品縱截面垂直和平行剪切方向的硬度變化，垂直剪切帶 的方向是從中心到兩端每間隔 0.2 毫米進(jìn)行測(cè)試，而對(duì)于平行剪切帶的方向需要每間隔 0.5 毫米測(cè)試，在各個(gè)區(qū)域中選取 3-5 個(gè)點(diǎn)平均值為該硬度點(diǎn)。利用 x 射線(xiàn)衍射儀能夠分析經(jīng)過(guò)持續(xù)冷鐓變形之后樣品相變情況，經(jīng)過(guò)冷墩之后的樣品縱截面制備透射電機(jī)樣品，薄片樣品經(jīng)拋光后，配置 5%高氯酸加 95%乙醇電解液實(shí)現(xiàn)雙噴電解拋光，設(shè)置電壓為 75 伏，外界溫度小于零下 30 攝氏度，雙噴后樣品經(jīng)過(guò)離子減薄機(jī)進(jìn)行減薄之后，制備樣品，并且利用透射電子顯微鏡觀(guān)察內(nèi)部的微觀(guān)組織，其電壓設(shè)置為 200kV。

2、 研究結(jié)果分析

如下圖所示為經(jīng)過(guò)快速鐓鍛變形之后樣品縱截面照片，樣品經(jīng)過(guò)腐蝕之后，存在明顯一字雙叉形變剪切帶，根據(jù)變形大小可以將變形區(qū)域分為 3 區(qū)，一區(qū)變形程度較小，二區(qū)是剪切帶區(qū)變形程度較大，三區(qū)變形適中。隨變形量增加樣品中心位置被壓縮為一條線(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，在持續(xù)冷鐓時(shí)樣品受到壓縮應(yīng)力，中心部位不會(huì)出現(xiàn)裂紋，但在一次雙叉位置很容易形成裂紋。在本研究中持續(xù)冷墩處理之后的樣品內(nèi)部無(wú)明顯的裂紋，進(jìn)一步說(shuō)明退火態(tài)航空緊固件 TC16鈦合金其塑性變形能力較好，在冷鐓變化方面經(jīng)過(guò)持續(xù)冷鐓實(shí)驗(yàn)中樣品內(nèi)應(yīng)場(chǎng)不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致樣品形變不均勻，對(duì)于樣品質(zhì)量和加工來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的影響較大。在冷加工時(shí)由于樣品塑性變形會(huì)引起加工硬化，在本研究中可以使用硬度法分析樣品不均勻變形度。根據(jù)垂直剪切帶方向硬度發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)冷鐓后該材料硬度值整體上升，并且在中心剪切帶區(qū)域硬度最高，由剪切帶向冷鐓接觸面的方向其硬度逐漸降低，并且呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性分布。當(dāng)鍛壓比為 1/2，此時(shí) II 區(qū)硬度比較穩(wěn)定，為 3.0GPa，從自剪切帶到冷鐓方向硬度降低為 2.6GPa。當(dāng)鍛壓比比達(dá)到 1/4 時(shí)此時(shí) II 區(qū)域的硬度最高為 3.4GPa，I 區(qū)硬度降低為 2.8GPa。當(dāng)鍛壓比分別為 1/6 和 1/8，此時(shí)硬度的變化基本穩(wěn)定，兩個(gè)硬度值是相近的。分析平行剪切帶方向樣品的硬度梯度，為當(dāng)壓鍛壓比為 1/2，此時(shí) II 區(qū)域的硬度為 3GPa，III 區(qū)硬度為2.9GPa，當(dāng)鍛壓比為 1/4 區(qū)域硬度最高為 3.4GPa，III 區(qū)域硬度降低為 3.05GPa。當(dāng)鍛壓比高于 1/4，此時(shí) II 區(qū)與 III 區(qū)的硬度值基本一致為 3.2GPa，無(wú)顯著的硬度梯度。整體從冷鐓材料的硬度特征上來(lái)看，當(dāng)鍛壓比為 1/2 時(shí)此時(shí)硬度提升較小，當(dāng)鍛壓比為 1/4，這種情況下冷鐓樣品存在較大的硬度梯度變化，當(dāng)鍛壓比高于 1/6 時(shí)，此時(shí)樣品的硬度梯度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨鍛壓比增加 1 區(qū)以及 III 區(qū)的硬度值逐漸增加，當(dāng)鍛壓比高于 1/6 時(shí)，此時(shí)樣品的硬度值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)于剪切帶 II 區(qū)硬度，隨著其鍛壓比先增加后減小，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鍛壓比為 1/4，此時(shí)硬度最高，當(dāng)鍛壓比高于 1/6 此時(shí)硬度值將趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在 II 區(qū)和 III 區(qū)硬度梯度區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)，兩者的硬度值基本一致。進(jìn)一步表明當(dāng)鍛壓比為 1/4 這種情況下，航空緊固件 TC16 冷鐓樣品的力學(xué)性能不穩(wěn)定，而處于較大變形情況下冷鐓樣品內(nèi)部細(xì)晶強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化等微觀(guān)組織變化會(huì)導(dǎo)致較大的硬度變化。

除此之外，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)隨材料的變形量增加，會(huì)使材料位錯(cuò)密度增加，出現(xiàn)位錯(cuò)纏結(jié)或者塞積的問(wèn)題。由于位錯(cuò)強(qiáng)化，進(jìn)而會(huì)使加工硬化程度明顯，使剪切帶位置的硬度快速升高，當(dāng)材料的鍛壓比高于 1/4，此時(shí)晶粒會(huì)被壓扁，位錯(cuò)塞積程度隨變形增加而逐漸增加，剪切帶區(qū)域的硬度會(huì)持續(xù)升高。當(dāng)材料鍛壓比高于 1/6，此時(shí)隨材料變形增加為塞積位錯(cuò)，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)回復(fù)或者湮沒(méi)，逐漸形成獨(dú)立晶界，晶粒會(huì)細(xì)化成納米等軸金，位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)導(dǎo)致的加工軟化會(huì)使剪切帶區(qū)域的硬度有一定程度降低，最后區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)。硬度變化能夠從一定程度上反映材料在變形中的硬化強(qiáng)度，也就是位錯(cuò)增值變化規(guī)律。在晶粒計(jì)劃中位錯(cuò)動(dòng)態(tài)回復(fù)以及湮沒(méi)等加工軟化明顯高于材料的硬化作用，會(huì)使材料硬度有一定程度降低。在剪切帶相變分析過(guò)程中可以使用 XRD 圖譜分析，內(nèi)部除組織形態(tài)發(fā)生變化之后，同時(shí)還會(huì)存在相變過(guò)程。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)冷鐓處理之后的樣品兩個(gè)峰強(qiáng)度有顯著降低，并且出現(xiàn)少量馬氏體相，隨變形程度增加ɑ’’相有一定程度增強(qiáng)，但增強(qiáng)較弱，證明該應(yīng)力誘發(fā)的ɑ’’相變馬氏體含量較少，對(duì)于冷鐓樣品的硬度不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3 、結(jié)語(yǔ)

總而言之，在本研究中主要針對(duì)航空緊固件機(jī)械鈦合金經(jīng)過(guò)冷墩成型之后的特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn) TC16 鈦合金其塑性變形良好，在冷鐓持續(xù)變形過(guò)程中，細(xì)晶強(qiáng)化，位錯(cuò)強(qiáng)化是硬度提升的主要原因。而由于ɑ’’相變馬氏體含量減少，對(duì)于樣品硬度產(chǎn)生的影響是比較小的。當(dāng)材料鍛壓比為 1/2 時(shí)硬度變化不明顯，當(dāng)鍛壓比為 1/4 時(shí)硬度變化最高，但存在不均勻變形，冷鐓件的力學(xué)性能較差，鍛壓比高于 1/4 樣品硬度梯度將逐漸趨于穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致形成剪切帶。由于位錯(cuò)強(qiáng)化進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致剪切帶區(qū)域硬度顯著增加，樣品的硬度梯度變化較大，當(dāng)鍛壓比高于 1/4，此時(shí)硬度為最高值，隨變形量增加剪切帶內(nèi)部晶粒細(xì)化為 100 納米等軸晶，硬度有一定程度降低，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，硬度梯度變化較小。

參考文獻(xiàn)：

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