紧固件用TC16钛合金强化热处理工艺研究

（中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024）

随着现代航空业的发展，钛合金紧固件被越来越多的采用，钛合金紧固件可以达到减重、耐腐蚀的目的，是钛合金、碳纤维复合材料等结构件必须选用的连接件。TC16（Ti-2.5Al-5Mo-5V）为α+β型高强钛合金，是一种马氏体型α+β两相钛合金，其β稳定系数Kβ为0.8，具有良好的工艺塑性[1-3]。由于塑性良好，俄罗斯（俄罗斯牌号为BT16）大多采用冷镦工艺加工紧固件：一方面，镦锻过程中不需要加热即可成形复杂头型；另一方面，由于变形后产生冷作硬化，提高了强度，所以不需要进行后续的热处理，减少了生产工序[4-5]。随着航空技术的发展，对紧固件的强度要求不断提高，冷镦工艺生产的TC16紧固件强度越来越难以满足高强度需求，所以需要对TC16进行后续热处理，以提高紧固件强度[6-9]。

本文通过对TC16进行不同温度下的固溶、时效处理，研究不同热处理下的微观组织、力学性能，对TC16高强度紧固件的研制提供理论帮助。

试验材料及方法

TC16材料成分如表1所示。材料经熔炼-开坯-锻造-轧制-拉丝工艺得到φ6.34mm棒材，利用金相法测得该材料的（α+β）/β转变温度为 860～865℃。

力学性能在拉伸试验机（Zwick Z100）上进行，试样经过粗磨、精磨、抛光后，利用Kroll试剂腐蚀后，在金相显微镜（Optical Microscopy,OM）Leica DM6000M观察光学显微组织，利用电镜（Scanning Electroinic Microscopy， SEM）Zeiss SUPRA55观察微观组织及断口形貌。

表1 TC16化学成分（质量分数） %

结果与讨论

1 退火态组织与性能

退火态组织由等轴α+β组成，晶粒细小，大小约为1μm，如图1所示。其中，图1（a）中白色的为α相，这是因为退火过程发生了β→α转变，同时又发生了α相、β相的再结晶。退火后的力学性能为：抗拉强度 870MPa，屈服强度 830MPa，延伸率22%。

2 固溶处理的影响

不同固溶温度下的组织如图2所示。固溶处理后组织为初生α+α"，如图 2中的（a）～（c）所示，由于TC16中β稳定系数为0.83，在淬火后β相不会完全转变为α"，所以还存在亚稳态β相。随着固溶温度的升高，α相越来越少，这是因为在固溶温度下，发生了α→β转变，随着温度的升高，生成的β相越多，从而使α相减少，在随后的快速冷却时，α相保持不变，β相转变为β亚稳相及α"马氏体，如图2（d）～（f）所示，β相中可见针状的马氏体α"。

图1 原材料显微组织Fig.1 Microstructure of raw material

表2 TC16热处理工艺

图2 不同固溶温度下的显微组织Fig.2 Microstructure at different solution temperatures

不同固溶温度下的力学性能如图3所示，随着固溶温度升高，抗拉强度变化不大，约为920MPa，比退火态抗拉强度高50MPa左右；延伸率变化也较小，约为25.5%；屈服强度随着固溶温度的增高而增大，并且发现屈服强度较退火时下降较多，仅为370～430MPa，此时屈强比较低，约为0.40～0.47。

分析认为固溶后屈服强度下降的原因由以下两种因素造成：（1）由于固溶温度在α+β两相区，在此温度下合金元素、第二相粒子更多地溶入β固溶体中，在快速冷却过程形成过饱和固溶体，在变形过程中，由于没有合金元素、二相粒子的钉扎作用，位错移动的阻力减少，在很小的外力下就能够使材料发生塑性变形，从而使屈服强度下降；（2）固溶处理后，由于β亚稳相的存在，在拉伸过程中，β亚稳相在应力作用下发生分解生成α"相，即所谓的TRIP效应，宏观上表现为在低应力下材料即发生塑形变形，从而降低屈服强度。

抗拉强度与退火态相比提高不多，是因为生成的马氏体α"强度不高，不像钢铁中的马氏体能够大大提高强度，固溶温度对抗拉强度的影响由多方原因造成：（1）随着固溶温度的升高，α相减少，而α相强度较β相高，从而造成材料强度降低；（2）固溶处理后生成过饱和固溶体，随着固溶温度的升高，过饱和固溶体增多，根据固溶强化原理，从而提高材料强度；（3）β亚稳相在拉伸变形过程中，会发生TRIP效应，虽然降低了屈服强度，但生成了α"相，从而提高抗拉强度；所以抗拉强度的影响为各方综合因素的结果。

3 时效处理的影响

固溶+时效后组织为初生α+α+β，如图4所示，固溶处理时生成的初生α在时效处理后不改变，过饱和固溶体α"以及亚稳相β发生脱溶转变[10]，生成α+β，α+β呈片层相间分布在原始β晶粒内部，并且随着时效温度的升高，α、β片层增厚，如图4（d）～（f）所示。

图3 不同固溶温度的力学性能Fig.3 Mechanical property at different solution temperatures

图4 不同时效温度下的显微组织（固溶温度为820℃）Fig.4 Microstructure of aging treatments (Solution temperature of 820℃)

不同时效温度对抗拉强度、屈服强度、延伸率的影响如图5所示，在相同的固溶温度下，随着时效温度的升高，抗拉强度、屈服强度降低，当时效温度为540℃时，3种固溶温度下的试样抗拉强度均＞1100MPa，其中当固溶温度为840℃、时效温度为540℃时，抗拉强度最高，达到1226MPa，为了更好衡量材料的综合性能，常用强塑积（抗拉强度与延伸率的乘积）的大小表达，其中当固溶温度为820℃、时效温度为540℃时，强塑积最高，达到21834MPa·%，说明在此工艺下材料达到强度与塑性最好的组合。延伸率随着时效温度的升高先降低后升高。

固溶处理后生成的亚稳β相和α"在时效过程中析出弥散的α相和β相，从而同时提高了材料的抗拉强度和屈服强度，这也是时效处理的本质所在，随着时效温度的增加，析出的弥散质点开始聚集，从而降低了弥散强化作用，使得时效强化作用减弱。

同时发现，在相同时效温度下，固溶温度越高，时效后材料的强度也越高，这是因为固溶温度越高，时效后产生的强化相越多，从而提高了强度。

由于固溶处理后抗拉强度提高不大，而塑性高，研制锁紧螺母时，在固溶态下进行收口：一方面，可以避免在收口过程由于大变形产生裂纹，而且所需要的收口力小；另一方面，随后的时效处理由于温度低，不会使产品产生变形，从而避免了在时效处理后所产生的收口问题。

图5 不同时效温度下力学性能Fig.5 Mechanical property at different aging temperatures

图6 不同热处理工艺下的拉伸断口Fig.6 Tensile fractures at different heat treatments

4 不同热处理工艺对拉伸断口的影响

不同热处理态下的拉伸断口如图6所示，3种不同热处理制造下的宏观断口具有纤维区、剪切唇区，其中退火态、固溶态试样纤维区具有明显的韧窝，在拉伸外力下，内部位错产生堆积，在变形大的区域产生许多显微空洞，由于塑性好，这些空洞不断长大、聚集形成裂纹最终断裂。退火态与固溶态的韧窝较深，大小相差不大，塑性相当，这与力学结果相一致。

固溶+时效处理后的断口平面较平，断口上有大量高密度的短而弯曲的撕裂棱线、片，此断口属于准解理断口，此种断口塑性较差。

结束语

（1）TC16在750℃退火后的组织为等轴α+β，抗拉强度870MPa，屈服强度830MPa，延伸率22%。

（2）TC16固溶处理后的组织为初生α+α"+亚稳态β，随着固溶温度的升高，初生α相减少；随着固溶温度的升高，抗拉强度变化不大，约为920MPa，比退火态抗拉强度高50MPa；屈服强度和延伸率随着固溶温度的提高而增大，屈服强度较退火时下降较多，仅为370～430MPa，此时屈强比较低，约为0.40～0.47。

（3）固溶+时效处理后的组织为初生α+α+β，在相同的固溶温度下，随着时效温度的升高，抗拉强度、屈服强度降低，延伸率先降低后升高，当固溶温度为840℃、时效温度为540℃处理后，最高抗拉强度达到1226MPa，当固溶温度为820℃、时效温度为540℃处理后，最高强塑积为21834MPa·%。

（4）通过分析不同热处理状态下的断口，得出拉伸断口主要为纤维区和剪切唇区，退火态和固溶态断口中纤维区为韧性断裂，可以观察到明显的韧窝，宏观表现为塑性好；固溶+时效后的断口纤维区为准解理断裂，塑性差。

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