热处理对航空紧固件用TC16钛合金棒材组织性能的影响

供稿|黄帆，海敏娜，孙虎代，张伟，陶海林 /

内容导读

TC16 钛合金因其具有密度小、强度高、比强度大、耐蚀腐蚀、耐高温，无磁性、退火态具有优异的塑性和加工成型性，固溶时效态具有高强、高韧等性能，常被镦制成铆钉、螺钉、螺母等紧固件应用在航空、航天设备上。文章研究了不同退火工艺、固溶时效工艺对紧固件用TC16 合金φ8.0 mm棒材组织和力学性能的影响规律，最终确定TC16 合金的最佳热处理制度，为紧固件用TC16 合金的国产、自主可控化研制及生产奠定数据基础。

TC16 钛合金是21 世纪初中国在俄制BT16 钛合金成分设计基础上开发的一种具有良好工艺塑性的钛合金材料，属于α+β 两相钛合金，名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，相变点在840～880 °C，β 稳定系数为0.83，具有高塑性、高强度、良好淬透性、优异的冷镦成型性，同时具有抗疲劳和焊接性能好，对应力集中敏感性小等优点。其中较低的Al 提高了合金的强度和热强性，并可使其在退火和淬火状态下具有良好的塑性，较高的Mo 和V 使得其淬火并时效热处理后具有较高强度[1]。该合金不仅可以热镦成型还具有良好的冷镦性能，是比较成熟的航天紧固件材料，目前广泛用于航天设备上[2]，用于关键部件和重要部位的连接与装配，一架中型飞机(如国产C919)所用的紧固件的总重量可占飞机总质量的5%～6%，可达200 万到300 万个[3]。图1 为TC16钛合金紧固件及C919 飞机。

TC16 钛合金常以冷镦热处理的方式进行强化，故要求材料在退火态具良好的塑性，固溶时效态具有较高的强度。对比俄制BT16 钛合金，国产TC16 钛合金具有与其相当的力学性能和工艺塑性，但是，冷镦工艺还不够成熟，无法实现量化生产。研究表明，材料的冷镦变形能力与塑性、剪切强度及组织有关。且不同退火及固溶时效工艺对其组织及性能影响较大[4]，因此，本文通过研究不同退火工艺及固溶时效工艺对TC16 合金棒材组织、性能的影响规律，为紧固件用TC16 合金国产化、批量化的研制及生产提供技术支持。

实验材料和方法

实验材料

本次实验所用材料是由宝鸡钛业股份有限公司经多次次真空自耗熔炼的TC16 合金铸锭，坯料经自由锻+精锻、粗轧+连轧等工序生产至φ8.0 mm 线材盘圆，其α+β/β 相转变温度为856 °C。图2 为TC16 钛合金φ8.0 mm 棒材轧制态显微组织，由图2可以看出，棒材原始组织为细小的等轴初生+马氏体α′′+β 基体构成，原始β 晶界已完全破碎，初生α 相体积分数约为50%，且α 相为短棒状、针状和颗粒状。另外，显微组织中存在少量片层状的马氏体α′′，这与轧制工艺及轧后冷却方式有关。

实验方法

在TC16 钛合金φ8.0 mm 盘圆线材上取样，按照表1 中的实验方案进行退火和固溶时效热处理实验，研究不同退火工艺和固溶时效工艺对棒材退火态及固溶时效态显微组织和力学性能的影响，其中，FC 为炉冷；AC 为空冷；WQ 为水淬。试样经热处理后依据GB/T 228.1—2021《金属材料室温拉伸实验方法》加工、检测室温力学性能，依据GB/T5168—2020《α-β 钛合金高低倍组织检验方法》中的方法加工、腐蚀后，并检测、分析其显微组织。

表1 TC16 钛合金棒材热处理实验方案

其中方案A1～A4 研究不同退火温度对棒材退火后显微组织及室温力学性能的影响，方案B1～B3 研究不同固溶温度对棒材固溶时效态组织性能的影响，方案B2、B4、B5、B6 研究不同时效温度对棒材固溶时效态组织性能的影响。

实验结果与分析

退火温度对TC16 钛合金棒材组织性能的影响

退火温度对TC16 钛合金组织的影响

图3 为TC16 钛合金棒材不同退火温度随炉冷却后的显微组织，由图3 可以看出随退火温度的升高，显微组织中初生α 相的含量逐渐减少，晶粒逐渐长大。图3(a)和3(b)分别为试样在760 和780 °C退火后的显微组织，为α 相和β 相组成的弥散混合组织，平均晶粒大小为1.22 μm。图3(c)和3(d)分别为试样在800 和820 °C 退火后的显微组织，由等轴初生α 相与局部片层状的次生α′′相及β 基体组成，与图3(a)和3(b)相比，图3(c)和3(d)中的晶粒明显长大，局部出现少量片层组织，平均晶粒尺寸由原来的1.22 增加至1.33 μm。

退火温度对TC16 钛合金性能的影响

图4 为不同退火温度对TC16 钛合金棒材室温性能的影响。

由图4 可以看出，随退火温度的升高(随后慢冷)棒材抗拉强度、屈服强度、剪切强度均逐渐降低，伸长率逐渐升高，断面收缩率先升高再降低。原因为在α+β 两相区退火时棒材发生了回复与再结晶，退火温度越高再结晶后晶粒越粗大，棒材强度越低。在780 °C 时棒材抗拉强度达到了840 MPa，断面收缩率达到了最大值74%，研究表明断面收缩率与材料冷镦性能成正相关，因此，在选择TC16 钛合金退火工艺参数时要充分考虑到这一点，兼顾材料强度与塑性，特别是保证TC16 钛合金棒材的供货状态工艺性能—冷镦性能[5]，因此，TC16 合金棒材最佳退火制度为780 °C 保温2 h，以2～4 °C/min 炉冷至550 °C 以下，空冷。

固溶温度对TC16 钛合金棒材固溶时效态组织和性能的影响

固溶温度对TC16 钛合金棒材固溶时效态组织的影响

图5 为不同固溶温度固溶时效处理后的TC16 钛合金棒材显微组织，图中白色颗粒为初生α 相，黑色部分为β 基体(包括淬火保留下来的亚稳定β 相和α′′相)。由图5(a)～5(c)可以看出，提高TC16 钛合金棒材在α+β 相区淬火加热温度，其显微组织中初生α 相含量减少，β 相含量增加，淬火后发生了亚稳定β 相向α′′相转变。随固溶温度的升高，棒材固溶后淬火时保留的亚稳定相β 相和α′′含量就越多，随后时效的强化效果也就越明显。图5(c)较图5(a)和(b)其初生α 相含量明显减少，时效析出的针状第二相含量增多。

固溶温度对TC16 钛合金棒材固溶时效后性能的影响

图6 所示为不同固溶温度固溶时效处理后的TC16 钛合金棒材室温力学性能，可以看出，随着固溶温度升高，棒材固溶时效态的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均升高，伸长率降低，断面收缩率先升高再降低。在800 °C 时棒材断面收缩率达到了最高值74%，抗拉强度达到了1098 MPa，剪切强度达758 MPa，强度与塑性达到了最佳匹配，故TC16 钛合金棒材的最佳固溶制度为800 °C 保温2 h，水淬。

时效温度对TC16 钛合金棒材固溶时效态组织性能的影响

时效温度对TC16 钛合金棒材组织的影响

图7 所示为不同时效温度固溶时效处理后的TC16 钛合金棒材显微组织，由图7 可以看出，随着时效温度升高，固溶过程中保留的亚稳定β 相转变而形成的质点的弥散程度也各不相同，520 °C 时效从亚稳定β 相分解的第二相比较弥散，如图7(a)所示。随着时效温度的升高，弥散析出的第二相质点开始聚集，如图7(c)和7(d)所示，研究表明TC16钛合金亚稳定相分解从350～400 °C 开始，500 °C时效后亚稳定β 相完全分解，但稳定化β 相的钼、钒含量比在较低温度下得到平衡的β 相的少[1]。

时效温度对TC16 钛合金棒材性能的影响

图8 为时效温度对TC16 钛合金棒材固溶时效态室温力学性能的影响，由图8 可以看出，随着时效温度的升高，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度逐渐降低，伸长率逐渐升高，断面收缩率先升高后降低。这是因为时效时亚稳定β 相分解引起时效强化，但随着固溶温度从520 升高至580 °C 弥散析出的质点发生了较大程度的聚集，使得强度逐渐降低，塑性升高。时效温度为560 °C 时棒材的断面收缩率达到了最高值74%，抗拉强度达到了1098 MPa，剪切强度达到了758 MPa。因此，800 °C 固溶后经560 °C 保温8 h 时效，可以使TC16 钛合金棒材强度和塑性达到最佳匹配。

结论

(1)TC16 钛合金棒材在退火后以2～4 °C/min 炉冷的冷却速度不变的情况下，随退火温度的升高，组织中初生α 相含量减少、平均晶粒尺寸增加，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均降低，伸长率略有升高，断面收缩率先升高后降低。780 °C 退火后棒材的断面收缩率达到了最高值。

(2)在时效温度不变的情况下，随固溶温度的升高，TC16 合金棒材固溶时效后组织中初生α 相含量减少，次生相含量增加，室温拉伸强度、剪切强度升高，伸长率降低，断面收缩率先升高再降低，在800 °C 时达到了最高值。

(3)在固溶温度不变的情况下，随着时效温度的升高，TC16 合金棒材组织中的弥散析出的第二相开始聚集，室温拉伸强度、剪切强度降低，伸长率升高，断面收缩率先升高再降低。经“800 °C 保温2 h，水淬+560 °C 保温8 h，空冷”固溶时效处理后棒材抗拉强度达到了1100 MPa，断面收缩率达到了74%，强度和塑性达到了最佳匹配，为TC16 钛合金棒材的最佳固溶时效制度。