紧固件用TC16钛合金丝材加热温度对组织性能影响

解文卓，张佼，周亮

（1.西安建筑科技大学，陕西 西安 710050）（2.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014 ）

关键字：TC16钛合金；加热温度；保温时间；组织性能

1 引言

TC16钛合金的名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，为α+β型两相高强钛合金，与俄罗斯BT16成分相同。TC16钛合金的β转变温度为860℃±20℃。具有良好的工艺塑性，疲劳强度高，通过固溶时效或冷变形强化后抗拉强度可以达到1030～1080MPa，剪切强度为650～700MPa，并且对缺口、扭转等应力集中敏感性较小、能很好地承受偏斜载荷。TC16钛合金丝材（Φ4mm～Φ8mm）主要用于制造螺钉、螺栓、铆钉、螺母、垫片等飞机用紧固件，包括螺栓、螺钉、螺母和环槽铆钉杆等，主要用在后机身、机翼、尾翼等部位，通过对TC16，Φ6.1mm丝材组织、性能的研究，可以根据用途为紧固件后续加工选择不同的加热温度和加热时间，为获得不同的组织与性能以及大批量生产提供更优的理论依据。

为获得加热温度和加热时间在拉拔过程中对组织和性能的影响，选取成品规格Φ6.1mm，温拉工序采用管式炉加热，经不同的加热温度和加热时间，以及相同的热处理制度后分析其组织与性能的变化机理。

2 实验材料

实验所选用的材料均由宝钛集团生产的Φ9.5mm的TC16棒材，坯料的化学成分，见表1,检测相变点为860℃。

2.1 工艺过程

（1）拉伸工序具体步骤：

磨头→烧头→穿模→夹头→连续加热→拉伸

（2）拉伸选材

坯料的相关参数见表2：

2.2 实验方案

对规格Φ7.1坯料进行拉伸，加热温度分别为840℃、860℃、870℃、890℃、1050℃；保温时间分别采用1min，2min，3min，5min，并采用相同的热处理制度具体见表3：研究组织和性能的变化机理。

3 组织与性能分析

3.1 按照工艺方案执行后，进行取样、标识，对丝材的横向进行了显微组织分析，具体如下：

通过显微组织可以看出，加热温度在840℃时，随着加热时间的不断增加，图1（a～d）试样在500X显微组织为典型的细小的两相区等轴α+β转加工组织，无原始β晶界，初生α的平均尺寸为2μm；TC16合金相变点较低，为850℃～870℃，在860℃加热时，从图2 a）可以看出虽然为双态组织，已经逐渐形成细小的长条α；（b～d）可以看出随着加热时间的增加，晶粒在缓慢长大，逐渐形成少量的β晶界。

表1 TC16化学成分

表2 坯料参数及加热炉加热区长度

表3 TC16棒（丝）材热处理制度

图1 840℃，不同加热时间

在870℃加热时，对500X组织照片进行分析具体见图3（a～d），随着加热时间的增加，晶粒明显长大，原始β晶粒比较细小，已经出现完整的β晶界，平均尺寸约为40μm，部分晶界α呈断续状，晶内α呈平行的短条状，从4组显微组织照片可以看出，已经形成魏氏组织。

图2 860℃，不同加热时间

随着温度的不断增加，β晶粒也在迅速的长大，在890℃时具体见图4（a～d），呈现明显魏氏组织，β晶界也在迅速的长大，原始β晶粒清晰可见，晶粒度平均尺寸为137um，β晶界上分布平直的晶界α，也存在少部分断开的晶界α，在晶界α附近有一个极窄的贫α相区域，一个晶粒内的短条α呈编织状；

加热温度增加到1050℃时，具体见图5（a～d），随着加热时间的增加，原始β晶粒清晰可见，晶粒度平均尺寸为180um，类似β区加工组织，也就是网篮组织，晶界内有明显的次生α相。

图3 870℃，不同加热时间

图4 890℃，不同加热时间

图5 1050℃，不同加热时间

表2 棒材的室温力学性能

综上分析，随着加热温度和保温时间的变化，从以上显微组织分析可以得出，加热温度从840℃到870℃，丝材显微组织从等轴的α+β转，无原始β晶界，逐渐转变为魏氏组织；随着保温时间的增加，β晶粒也在迅速的长大，出现的明显β晶粒。经对不同加热温度和不同保温时间的显微组织分析，在840℃时显微组织更符合加工要求。

3.2 力学性能比较

为了进一步比较不同温度下的产品的力学性能，我们选取不同加热温度，1min 的试样进行力学性能测试，包括抗拉强度、剪切性能、伸长率和收缩率，具体数据如表2所示：

4 结论

1）从显微组织照片可以看出，试样840℃下为两相区加工组织，无β晶界形成，860℃时发生相变，出现完整的β晶界，随着加热温度的不断升高，β晶粒迅速长大，加热温度提高到870℃时，形成魏氏组织，晶粒较大，晶界明显。在840℃～1050℃时，试样平均晶粒尺寸为2um～180um之间，840℃时显微组织更符合加工要求。

2）通过对棒材试样力学性能对比，在840℃时棒材综合性能最优，随着温度的不断增加，棒材的拉伸强度及塑性指标明显下降，剪切性能略降。