热处理工艺对紧固件用TC16钛合金棒材显微组织与力学性能的影响

2022-08-13同晓乐阿热达克阿力玛斯杨嘉珞

世界有色金属 2022年9期

随着钛合金在航空航天上用量的不断增大，钛合金紧固件的用量也在进一步增加，目前世界各国在飞行器上的应用主要有两个体系，美国等国家一般采用TC4钛合金制造紧固件，俄罗斯采用BT16（国内相近牌号为TC16）钛合金。TC4属于α+β两相合金，采用该合金制造紧固件必须使用热墩工艺，在经过真空固溶时效处理，生产成本较高效率较低，另外由于该合金Kβ稳定系数只用0.27，淬透性差，相应紧固件尺寸也受到了限制。而TC16钛合金是一种富β相马氏体型α+β两相钛合金，名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，铝含量较低，β稳定元素Mo和V含量较多，Kβ稳定系数为0.83，大于TC4，退火状态下合金约有25～30%β相，因而退火态具有较好的工艺塑性。TC16钛合金具有高塑性、高强度、高剪切强度、良好淬透性，同时抗疲劳和焊接性能好，对应力集中敏感性小等优点，显著提高了紧固件的使用寿命，且该合金经固溶时效处理后强度可达1030MPa以上，因此该合金常采用冷镦成形方法制造螺栓、螺钉和铆钉紧固件的加工制造等，是制造航空紧固件最理想的材料之一

。

热处理工艺是保证TCl6钛合金棒材工艺性能的重要因素，也是TCl6钛合金高性能的保证。本文分析了不同固溶温度和时效温度下TC16钛合金型材的显微组织，并通过室温力学性能试验，测试了不同固溶和时效处理对TC16钛合金型材强度和塑性的影响规律。

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1 实验材料及方法

实验材料选用规格为新疆湘润新材料科技有限公司S8mm的TC16钛合金六角棒。该棒材选用小颗粒0级海绵钛，由真空自耗电弧炉3次熔炼为Φ720mm铸锭，经β相区开坯、α+β两相区锻造、两火次热轧、冷轧等工序后获得。钛合金相变点指的是热加工过程中α+β两相组织向β相转变的过程，是制定热处理工艺的重要依据

，通过金相法测得其相变点为875℃。其化学成分如表1所示。

研究表明，退火处理可以使TC16钛合金棒材获得较低的强度和很高的塑性

，显著降低冷轧和冷镦变形抗力，在热轧后进行了退火消除残余应力，软化合金，改善综合性能，采用的退火制度为780℃2h.FC至580℃.AC。对TC16合金冷轧后的六角棒取样，按照表2所定的固溶+时效热处理方案进行热处理，然后加工成为试样，采用Olympus Pmg3金相显微镜进行显微组织观察，通过Instron拉伸试验机按照GB/T228金属室温拉伸试验方法测试其室温拉伸性能。拉伸试样采用R7的标准拉伸试样。金相腐蚀剂采用：HF：HNO

：H

O=1：3：7配比溶液。

2 实验结果和讨论

2.1 热处理对TC16钛合金棒材显微组织的影响

TC16钛合金棒材热轧后进行退火处理，退火制度为：780℃保温2h后开始以2～4℃/min炉冷降温至580℃.后空冷，取样观察其组织如图1所示，为均匀的α+β两相组织，组织由初生α相、细小的次生α相以及β相组成，晶粒尺寸较小。

其次，高校在帮助学生设置目标上有缺位。上文已经发现学生中存在轻看学习能力，重视其他综合能力的问题，个人认为学校的引导还不够。重视其他能力并没有错，但是想要立足于社会，个人的知识体系、技能专长和学习能力才是基石，没有这些基石，再会为人处世也终将是竹篮打水一场空。学生之所以会出现这样的认知，多半来自于社会不良风气和一些所谓“成功人士”的“成功学说”。因此高校在引导学生树立正确人生观、价值观上仍任重而道远。

固溶温度对TC16钛合金棒材性能的影响见图4，随着固溶温度的升高，抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均先降后升，在固溶温度为780℃时出现低谷，延伸率和断面收缩率先升后降，在780℃～800℃时达到最高值，在840℃时降低较为明显。选择800℃作为固溶热处理制度时，可以保证强度和塑形的良好匹配。

（2）为什么？分析原因：①国家层面：经济发展方式落后，没有坚持走可持续发展之路。②市场调节具有自发性。③不注重科技创新能力提高。

图3是TC16钛合金六角棒在800℃/2h，WC固溶处理后在不同时效温度下的显微组织照片。由图3可以看出，经α+β两相区固溶+时效处理后，棒材的显微组织为均匀细小的等轴组织，但随着时效温度的升高，有弥散颗粒析出，初生α相晶粒尺寸较小，在570℃时初生α含量最大，由550℃时效处理的31.2%增加到570℃的37.9%，整体变化幅度不大。

笔者通过先后对江苏省10所地方高校(分别用x1,x2,…,x10表示)进行调研，获得调研数据，最后用未确知测度模型将10所高校的科研核心竞争力划分为三个等级。现以某高校(xi)为例来介绍实证分析的过程。

2.2 热处理对TC16钛合金棒材力学性能的影响

图2为TC16钛合金六角棒在不同温度固溶经570℃/8h，AC时效后的显微组织照片。由图1可见看出，经α+β两相区固溶+时效处理后，棒材的的显微组织为均匀细小的等轴组织。随着固溶温度的升高，初生α相晶粒尺寸略有有长大，初生α相不断溶解、减少，初生α相含量由760℃固溶处理的37.5%左右，降低到840℃固溶处理的14.5%左右，在820℃以上β相区产生a"马氏体。试样在820℃以下固溶时，显微组织为初生α相和亚稳定β相组成，固溶稳定达到820℃时，亚稳态β相不能稳定下来，在水介质中的快速冷却过程中，产生a"马氏体转变，组织内部开始出现a"马氏体，随着温度升高，在840℃时，亚稳态β相大量转化成a"马氏体

。

时效温度对TC16钛合金棒材性能的影响见图5，随着时效温度的升高，抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2下降，延伸率A和断面收缩率Z略有提高，变化幅度不大。主要是因为时效时有弥散颗粒析出，温度较低时，颗粒尺寸较小而分散度大，此时合金的强度较高，而塑性偏低，随着时效温度的提高析出颗粒逐步长大，合金的强度就逐步降低，而塑性则不断提高，因此在570℃附近时效，则可以在保证塑性的同时有较高的强度。