紧固件用 Ti-45Nb合金热处理工艺研究

王新南,朱知寿,商国强,童 路,张丰收,龚少梅

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超导材料科技有限公司,陕西 西安 710018) (3.中国航空工业标准件制造有限责任公司,贵州 贵阳 550014)

紧固件用 Ti-45Nb合金热处理工艺研究

王新南1,朱知寿1,商国强1,童 路1,张丰收2,龚少梅3

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超导材料科技有限公司,陕西 西安 710018) (3.中国航空工业标准件制造有限责任公司,贵州 贵阳 550014)

研究了真空退火热处理工艺对 Ti-45Nb合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:Ti-45Nb合金的β晶粒随退火温度的提高而长大;随着退火温度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切强度的变化不明显;当退火温度为 810℃时,合金获得了较理想的显微组织以及拉伸强度与剪切强度的良好匹配。

Ti-45Nb合金;紧固件;退火处理;力学性能

1 前 言

先进飞机上钛合金与复合材料的用量越来越大,而作为复合材料和钛合金的连接件,钛合金紧固件的大量应用也是飞机先进性的一个重要体现。近年来,钛合金紧固件代替较重的钢制紧固件,减重效果非常明显,已经广泛应用于近代航空航天的机械连接结构中,从而进一步减轻飞机的质量、提高连接部件的可靠性以延长飞机的设计使用寿命[1-2]。例如,如波音 747飞机紧固件以钛代钢后,其结构质量减少1 814 kg,一架俄罗斯的伊尔 -96飞机用钛紧固件 14.2万件,可减少质量 600 kg。

又由于钛合金具有优异的耐腐蚀性能,特别是它的正电位性能恰好与碳纤维复合材料相匹配,有效地防止了紧固件的电偶腐蚀。这一特性是任何其他材料所无法取代的,这也是钛合金紧固件迅速发展、用量逐年增加的另一个原因[3-6]。

Ti-45Nb合金在退火态具有较好的拉伸性能(441～490M Pa)、剪切强度 (365M Pa)和高的塑性(延伸率 10%,断面收缩率 50%),适合用于制造复合材料的铆钉连接件。在用于铆钉材料的钛合金材料中,钛铌铆钉和纯钛铆钉比较容易铆接成形。钛铌合金的剪切强度、抗拉强度均高于纯钛,而且变形抗力低于纯钛,因此美国在航空航天产品中全部改用冷加工性能优异的钛铌铆钉。

本文研究了不同热处理工艺对紧固件用 Ti-45Nb合金组织和性能的影响,为我国制定 Ti-45Nb合金丝材和铆钉的热处理工艺提供理论和实验依据。

2 实验材料与方法

实验用原材料来源于西部超导材料科技有限公司生产的 φ4 mm冷态丝材,其名义成分为 Ti-45Nb。通过线切割的方法截取若干组试样,进行真空退火处理,退火温度分别为 750,780,810, 840,870,900℃,退火时间均为 1 h。经退火后的试样进行拉伸性能和剪切性能测试。采用配比为1HF-2HNO3-5H2O(体积分数)的腐蚀液对金相试样进行腐蚀;利用 JEOL JSM-5600LV型扫描电子显微镜进行显微组织观察和分析;在电子万能试验机上检测合金经不同热处理后的力学性能。

3 结果与分析

3.1 退火温度对合金拉伸性能的影响

图1为在不同温度下真空退火后的 φ4mm的 Ti -45Nb丝材的力学性能。由图1可以看出,随着退火温度的升高,合金的抗拉强度和屈服强度整体呈现逐渐提高的趋势,这与真空退火后的随炉冷却方式导致二次相析出有关。退火温度为 780℃时,合金的强度略微有所下降,但是合金的强度在整个退火温度区间内的增加幅度不是很明显,其抗拉强度和屈服强度分别稳定在 510～540 M Pa以及 480～500M Pa之间;同时,合金的断面收缩率呈现逐渐下降的趋势,而延伸率无明显变化。

图1 不同退火温度下 Ti-45Nb合金的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.2 不同退火温度对合金剪切性能的影响

Ti-45Nb棒材经不同温度退火处理后的剪切性能如图2所示。从图2可以看出,随着退火温度的升高,合金的剪切强度逐渐升高,从750℃时的407M Pa提高到900℃时的 426M Pa。经不同温度退火处理的合金均获得了较高的剪切强度。

图2 不同退火温度下 Ti-45Nb合金的剪切性能Fig.2 Shear properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.3 不同退火温度对合金显微组织的影响

Ti-45Nb棒材在真空退火条件下经不同温度退火处理后的显微组织如图3所示。可以看出,当退火温度分别为 750℃和 900℃时,其显微组织均为等轴β晶粒,这与 Ti-Nb相图[7]的相组成结果相一致,只是其晶粒大小有所不同。通过测定可以得出,当退火温度为750℃时,其β晶粒大小为34.6μm,当退火温度升高到900℃,其β晶粒大小增大到54.1μm。同时可以看出,当退火温度为810℃时,合金的显微组织比较细小且均匀;而当退火温度升高到840℃时,合金的β晶粒发生了比较明显的长大。对比合金的力学性能,可以得出,Ti-45Nb合金的力学性能并没有随着合金晶粒的长大而发生明显的变化,且退火温度为810℃时,合金获得了较理想的显微组织以及拉伸强度与剪切强度的良好匹配。

图3 Ti-45Nb合金经不同温度退火后的扫描电镜照片:(a)750℃;(b)810℃;(c)840℃;(d)900℃Fig.3 SEM micrographs of the Ti-45Nb allog after heat treated at different temperature:(a)750℃;(b)810℃; (c)840℃;(d)900℃

3.4 紧固件用 Ti-45Nb合金应用实例

Ti-45Nb合金在真空退火状态下具有较好的拉伸性能、剪切强度和高的塑性,同时还具有十分优良的冷镦性能,可以冷镦成复杂形状镦头的铆钉。图4为课题组试制的不同规格 Ti-45Nb合金冠状铆钉和 100°沉头铆钉。

图4 不同规格的 Ti-45Nb合金铆钉:(a)冠状铆钉;(b)100°沉头铆钉Fig.4 Ti-45Nb alloy rivets with different specification:(a)coronary rivet;(b)100°sunk rivets

4 结 论

(1)Ti-45Nb合金的β晶粒随退火温度的提高而长大。当退火温度由750℃升高到900℃时,其β晶粒大小由 34.6μm增大到 54.1μm,但并没有使得合金的力学性能发生明显变化。

(2)随着退火温度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切强度变化不明显。

(3)当退火温度为810℃时,合金获得了较理想的显微组织以及拉伸强度与剪切强度的良好匹配。

[1]张树启.紧固件用高强度钛合金的发展[J].钛工业进展,1998,15(5):1-3.

[2]顾中灼.钛β合金紧固件研究[J].航空标准化与质量, 1999(2):17-20.

[3]张庆玲,王庆如,李兴无.航空用钛合金紧固件选材分析[J].材料工程,2007(1):11-14.

[4]赵庆云,刘风雷,刘华东.世界先进航空紧固件进展[J].航空制造技术,2009(3):54-56.

[5]刘风雷.我国航空钛合金紧固件的发展[J].航空制造技术,2000(6):39-40.

[6]程敏.金属钛及其应用[M].赵克德,译.北京:冶金工业出版社,1989.

[7]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用 [M].北京:化学工业出版社,2005.

Study on Heat Treatment Processing of Ti-45Nb Alloy Used in Fastener

Wang Xinnan1,Zhu Zhishou1,Shang Guoqiang1,Tong Lu1,Zhang Fengshou2,Gong Shaomei3
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) (2.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China) (3.China Aviation Industry Standard Parts Manufacturing Co.,Ltd.,Guiyang 550014,China)

The effect of vacuum annealing heat treatment processing on the microstructures and mechanical properties of Ti - 45Nb alloy was investigated. The results show that, with annealing temperature increasing, the β grains increase gradually. The tensile properties and shear strength do not changed obviously with the increment of annealing temperature. Meanwhile, the better comprehensive performance of tensile and shear strength was obtained using annealing temperature at 810℃.

Ti-45Nb alloy;fastener;annealing;mechanical properties

2010-03-23

国家自然科学基金资助项目 (59493300);教育部博士点基金资助项目 (9800462)

王新南 (1980-),女,硕士,工程师,电话:010-62496630;E-m ail:nansm ily@126.com。