不同加工状态钛铌丝对其铆钉组织和性能的影响

翟翠芬，侯峰起，樊开伦，张 鹏，王飞云，王凯旋，刘向宏

(1.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110850)

(2.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司贵州分公司，贵州 遵义 563006)

不同加工状态钛铌丝对其铆钉组织和性能的影响

翟翠芬1，侯峰起2，樊开伦3，张 鹏2，王飞云2，王凯旋2，刘向宏2

(1.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110850)

(2.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司贵州分公司，贵州 遵义 563006)

研究了加工态丝材和退火态丝材所加工的Ti45Nb合金铆钉的组织及性能。冷拉拔加工态钛铌丝材抗拉强度为680 MPa，剪切强度为390 MPa，且塑性良好，延伸率A为20%，断面收缩率Z为80%，具有良好加工性能。加工态丝材经退火后，组织实现完全再结晶，抗拉强度降低至550 MPa，塑性有所提高，延伸率A达到30%。两种状态丝材经冷镦加工成铆钉后，与丝材相比，剪切强度均增高，这与冷镦加工造成加工硬化有关;而对铆钉进行退火后，剪切强度均降低，且加工态丝材镦制的铆钉的剪切性能一致性优于退火态丝材镦制的铆钉。

Ti45Nb合金;铆钉;微观组织;力学性能

0 引言

钛合金因具有较高比强度、良好耐腐蚀性及生物相容性等一系列优点，在各个工业领域得到广泛应用［1－5］。近年来，钛合金在航空航天等领域的应用也越来越多，其用量的多少已成为衡量飞行器先进性的一个重要标志。在国外先进飞机上，钢紧固件已基本被钛紧固件所代替，具有明显的减重效果。飞机自身重量的降低，对提高其有效载荷、增强机动性、减少燃料消耗等都具有积极作用［6－7］。此外，因钛合金与复合材料的电位相近，能有效防止发生电偶腐蚀［8］。

作为一种先进的航空紧固件用材料，Ti45Nb合金具有塑性好、冷加工性能优异等特点，综合性能水平优于纯钛，非常适合用于复合材料结构的冷镦铆接。近年来，国内逐步开展了钛铌丝材及其紧固件加工、应用研究，研究重点在于钛铌紧固件的综合性能评价［9］，而丝材状态对紧固件性能的影响规律研究很少。本研究分析、对比了采用不同状态的Ti45Nb合金丝材所加工的铆钉的组织和性能，以及退火处理对铆钉组织和性能的影响，旨在探讨丝材状态对紧固件性能的影响规律。

1 实验

实验采用φ17 mm的Ti45Nb合金磨光棒为原材料，经冷加工得到φ3.9 mm的成品丝材，用于铆钉镦制加工。在冷加工态Ti45Nb合金丝材上截取金相试样、拉伸试样和剪切性能试样。对部分丝材进行真空退火处理，退火温度为850℃，保温时间为1 h，随炉冷却至500℃后充氩冷却。在退火后丝材上截取金相试样、拉伸试样和剪切性能试样。两种状态丝材均利用Z12型自动冷镦机进行铆钉镦制。在镦制的铆钉尾部(横向)取金相试样，并对铆钉进行剪切性能测试。钛铌铆钉产品在经过镦制加工后，一般需进行真空退火、表面处理后交付使用。因此对两种铆钉进行了相同制度退火，温度为850℃，保温时间1 h，随炉冷却至500℃后充氩冷却。在退火后的铆钉尾部(横向)和头部(纵向)取金相试样。

图1 加工态及退火态Ti45Nb合金丝材的金相照片Fig.1 Metallographs of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

采用OLYMPUS PMG3金相显微镜对Ti45Nb合金丝材及所加工铆钉进行金相组织分析。用酸液对铆钉进行腐蚀，观察其低倍组织。采用Instron1196万能试验机对Ti45Nb合金丝材进行室温拉伸性能测试和剪切性能测试，对所加工的铆钉进行剪切性能测试，拉伸试验的应变速率为1×10－3s－1，剪切试验加载速率为18 kN/min。

2 结果与讨论

2.1 丝材的组织和性能

图1为φ3.9 mm丝材加工态及退火态的横、纵向金相组织照片。从图1可以看出，加工态丝材为明显的变形组织;横向照片上，边部、心部组织均匀一致，纵向晶粒沿变形方向拉长。退火后，丝材横、纵向组织完全再结晶，等轴化程度良好，平均晶粒度级别均可达到6级以上，且纵向组织存在明显流线。

图2为φ3.9 mm丝材加工态及退火态室温拉伸性能对比。经过90%以上冷加工变形，Ti45Nb合金丝材加工态强度为680 MPa，剪切强度为390 MPa，且塑性良好，延伸率可达20%，断面收缩率为80%，保证了进一步冷加工变形能力。退火后，丝材拉伸强度为550 MPa，较退火前明显降低，延伸率略有提升，达到30%，而断面收缩率变化不明显。这说明丝材经较大变形量的冷加工后，加工硬化程度较弱，塑性性能损失较低，仍具有较好的变形能力，退火过程对改善丝材变形能力的作用不明显。两种状态的丝材均具有可进一步进行冷加工的强度及塑性水平。

图2 加工态及退火态Ti45Nb合金丝材的力学性能Fig.2 Mechanical properties of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

2.2 两种状态丝材所镦制铆钉的组织及性能

对加工态及退火态Ti45Nb合金丝材进行同型号铆钉镦制，并进行了高低倍组织及剪切性能的分析对比。图3为两种状态丝材所加工铆钉的低倍照片及钉尾部显微组织(横向)。可以看出，加工态丝材所镦制的铆钉的高低倍组织均匀性更为良好，而退火态丝材有明显的变形痕迹。由于铆钉镦制为剧烈的不均匀变形过程，加工态丝材强度较高、塑性良好，故具有良好变形协调性，而退火后丝材强度较低、塑性略好，镦制过程中发生的不均匀流变痕迹更为明显。

图3 不同状态丝材制备的Ti45Nb合金铆钉的低倍组织及显微组织Fig.3 Macrostructures and microstructures of the Ti45Nb alloy rivets by cold drawn wire and annealed wire

对钛铌铆钉而言，剪切性能是其关键性能指标之一。图4为两种状态丝材镦制后的铆钉的剪切性能对比。可以看出，铆钉剪切强度均较丝材提高约20 MPa，说明在镦制过程中，钉杆部位也产生了一定程度的加工硬化。整体而言，加工态丝材及其镦制的铆钉的剪切强度比退火态丝材及铆钉高20 MPa，说明镦制过程产生的加工硬化程度相近。就性能一致性而言，加工态丝材所镦制的铆钉更好，这与其较好的变形过程协同性有关。

2.3 两种状态丝材所镦制铆钉退火后的组织及性能

图4 Ti45Nb合金铆钉的剪切性能对比Fig.4 Shear strength comparison of the Ti45Nb alloy rivets produced by different wires

图5为加工态及退火态丝材所加工的铆钉经退火后其尾部横向、头部纵向的组织。可以看出，退火后两种铆钉钉尾的边部、心部组织均匀性较为良好，但退火态丝材所加工铆钉的晶粒略显粗大。退火态丝材钉头的剧烈变形区域出现较大晶粒，边部、心部组织差异较大，这是因镦制变形的不均匀造成区域变形畸变能差异，退火中的再结晶驱动力不同，而加工态丝材在镦制过程中变形协调性更好，故组织更为均匀。

图5 Ti45Nb合金铆钉退火后的金相照片Fig.5 Metallographs of the annealed Ti45Nb alloy rivets

图6 Ti45Nb合金铆钉退火后的剪切性能对比Fig.6 Shear strength comparison of the annealed Ti45Nb alloy rivets

图6为铆钉退火后的剪切性能。可以看出，加工态丝材镦制的铆钉，其剪切强度明显降低，而退火态丝材镦制的铆钉，其剪切强度略有降低。不同铆钉剪切强度变化的差异可能由于铆钉杆部在加工、退火过程中的变形及再结晶织构变化不同造成，需进一步进行深入分析。此外，与镦制后铆钉的剪切性能对比结果一致，退火后，加工态丝材所镦制铆钉的性能一致性也优于退火态丝材镦制的铆钉，同样可归因于良好的组织均匀性。

3 结论

(1)经过较大变形量加工的φ3.9 mm Ti45Nb合金丝材的抗拉强度约为680 MPa，塑性良好，延伸率及断面收缩率与退火后性能水平相当，具有良好的冷镦加工性能。

(2)两种状态丝材所加工铆钉均可达到应用需求的理想性能水平，均可实现良好应用。但与退火态丝材相比，加工态丝材所镦制的铆钉的组织更为均匀，性能一致性也更好。

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Effect of Ti45Nb Wires under Different Processing States on the Microstructure and Mechanical Properties of the Rivets

Zhai Cuifen1，Hou Fengqi2，Fan Kailun3，Zhang Peng2，Wang Feiyun2，Wang Kaixuan2，Liu Xianghong2
(1.Shenyang Aircraft Industry Corporation，Shenyang 110850，China)
(2.Western Superconducting Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China)
(3.Guizhou Aerospace Precision Products Co.，Ltd.，Zhunyi 563006，China)

The microstructure and mechanical properties of Ti45Nb rivets produced by different wires(cold drawn and annealed)were researched in this paper.The cold drawn Ti45Nb wires with ultimate tensile strength of 680 MPa，shear strength of 390 MPa，elongation ratio of 20%and the reduction of area of 80%，have ideal cold process ability.Annealed at 850℃，the microstructures of the wires are completely recrystallized，and the ultimate tensile strength reduced to 550 MPa，elongation ratio up to 30%.When different wires cold heading to rivets，the shear strength increase compared to wires due to the work hardening effect.When both rivets are annealed，the shear strength both decrease，but uniformity of shear strength of rivets produced by cold drawn Ti45Nb wires is better.

Ti45Nb alloy;rivet;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.009

2015－05－05

王凯旋(1977—)，男，高级工程师。