TC16钛合金的冷镦组织与性能

王富强，沙春鹏，孙小岚

(中航工业沈阳飞机工业集团有限公司 制造工程部，沈阳 110034)

由于钛合金紧固件显著的减重效果和优异的耐蚀性能，使其成为目前先进飞机上钛合金、复合材料结构实现连接的首选部件［1，2］，其用量随着钛合金及复合材料在飞机上用量的不断扩大而增加.因此，对其冷镦性能进行研究有着重要的实际意义.

当前在飞机上获得应用的钛合金紧固件可分为欧美和俄罗斯两个体系［3］.欧美国家一般以通用型TC4(Ti－6Al－4V)钛合金制造紧固件，只能采用热镦的方式制作，而俄罗斯则采用专用型BTl6(Ti－3A1－5Mo－4.5V)钛合金生产紧固件，可以采用连续冷镦的方式制作.后者在制作方式和生产效率上比前者更具优势，且同类零件的成本和工作量只有前者的30% ～50%.考虑到BTl6钛合金制作紧固件的众多优点，在参考其成分设计的基础上，我国在本世纪初开发出国产的TCl6钛合金，并开展了冷挤压性能、冷变形强化效果、冷镦紧固件力学性能等方面的研究工作［4～6］.但是，由于冷镦工艺对 TCl6 钛合金丝材的性能要求极高，到目前为止国内还未形成批量生产冷镦钛合金紧固件的能力.

本文在最新研制TC16钛合金冷镦丝材的基础上，分析由其冷镦成型紧固件的显微硬度、组织及流线分布情况，为TC16钛合金冷镦紧固件的批量制造提供技术原型.

1 试验材料及研究方法

研究用TC16钛合金丝材由中国科学院金属研究所提供，其化学成分(质量分数，%)为:Al 3.17，Mo 5.11，V 4.50，C 0.020，Fe 0.058，Si＜0.05，Zr＜0.01，O 0.12，N 0.005 7，H 0.000 7，余量为Ti，满足标准要求.采用真空自耗电弧炉熔炼，铸锭经过开坯、锻造、轧制成 8 mm的棒材，然后再拉制成 6.1 mm的丝材.冷镦前进行退火处理，退火热处理制度为:780℃，保温2 h，以2～4℃/min的冷速炉冷至550℃以下，随后空冷.经退火的丝材在A121型冷镦机上镦制成 6 mm的紧固件，将紧固件沿轴向纵向剖开进行粗磨、精磨、抛光及腐蚀.作为对比，同时对TC16钛合金丝材进行分析.采用OLYMPUS GX71金相显微镜(OM)观察显微组织及流线分布，在TUKON 2500显微硬度计上测量硬度.通过机械减薄及双喷电解减薄制备透射试样，并在TECNAI G2透射电子显微镜(TEM)上观察合金的微观结构.

2 试验结果与分析

2.1 冷镦成型性能分析

表1为研究用TC16钛合金丝材的室温力学性能和镦锻试验结果，并与标准值进行了对比.由表1可见，TC16钛合金丝材的延伸率、断面收缩率及剪切强度都明显高于标准要求，在镦锻比为1∶4条件下进行了200组镦锻试验，试验结果全部合格.

表1 TC16钛合金的力学性能Table 1 Mechanical properties of TC16 alloy

金属材料的冷镦成型性能与塑性、剪切强度及显微组织等有关，当材料的塑性很好时，材料本身变形能力比较强，在冷镦大变形过程中不容易产生裂纹;当材料剪切强度较高时，抗剪切变形能力较大，冷镦变形带分岔部位的晶粒在受到剪切应力的作用时也不容易发生断裂.因此，良好的塑性和理想的抗剪切变形能力是确保TC16钛合金在冷镦大变形过程中不产生裂纹的前提基础.

2.2 显微组织及流线分析

图1为TC16钛合金丝材在退火状态下的纵向显微组织照片.由图可知，经退火后的TC16合金为片状组织，未发现连续平直的晶界α相，片状初生α相长度很短.已有研究表明［4］，TC16钛合金的“超细”片状组织具有与等轴组织相当甚至更好的塑性.

图1 TC16钛合金丝材纵向显微组织Fig.1 Vertical microstructure of TC16 Wire

图2为经冷镦成型TC16钛合金紧固件头部的纵向低倍组织.由图2可见，紧固件头部形成了沿外形分布的流线，而内部则形成了“一字双岔状变形带”.在“一字双岔状变形带”的“一”字部分，晶粒几乎被压缩成一条线，表明冷镦过程中头部中心部位产生了极大的变形，但是冷镦紧固件内部并未发现裂纹.

图2 TC16钛合金紧固件纵向低倍组织Fig.2 Vertical macrostructure of locknut made of TC16 alloy

图3给出了图2中“A”和“B”两典型部位的微观组织照片.对比图3a和图3b可知，“A”和“B”两处片状α相的平直度有很大差异，“A”处片状α相发生了极大地变形，几乎被拉成了条状，进一步证明紧固件头部发生了较大变形，而“B”处的显微组织与TC16钛合金丝材退火状态(见图1)相近，可见紧固件杆部几乎未发生变形.

2.3 显微硬度分析

材料硬度值的大小取决于其化学成分和组织结构，并能敏感地反映材料的化学成分和组织结构差异;硬度测试是研究材料不均匀变形的一种有效手段［7］.由于冷镦变形是材料不均匀变形的一种［8］，因此研究冷镦紧固件的硬度分布有利于对冷镦过程及冷镦后的使用状态有更深入的了解.TC16钛合金紧固件显微硬度的测试部位如图2中的“1”～“4”所示，表2则给出了测试结果.为了便于比较，表2中同时列出了TC16钛合金丝材退火状态的硬度值.由表2可知，TC16钛合金紧固件的硬度值(HV0.1)分布在2 500～3 100 MPa之间，头部“2”处的硬度值最高，而杆部“4”处的硬度值最低，头部硬度明显高于杆部，杆部的硬度与TC16钛合金丝材退火状态下的值相当.

图3 TC16钛合金紧固件纵向显微组织Fig.3 Vertical microstructure of locknut made of TC16 alloy

图2中“2”处附近的典型位错组态如图4所示.由于α和β两相的衬度相差很大，通过样品倾转可分别观察两相的位错，图中β相晶粒变形非常大，出现了明显的位错墙，而邻近的α相相界面也出现了大量位错，说明α相也发生了塑性变形.与密排六方的α相相比，体心立方的β相具有更多的滑移系和更低的堆积密度，也就是说β相比α相软，所以形变首先出现在β相中.在样品的透射试验中未观察到明显的孪晶衍射花样，表明TC16钛合金试样是以位错滑移的方式发生塑性变形的.随着形变量的增加，形变由β相发展到α相，由于晶体中位错滑移不能穿过α/β两相界面于是就在相界面处塞积产生形变强化行为，使得应力提高而导致较硬的α相开始进行滑移［9］.由图4可见“一字双岔状变形带”的“一”字部分位错墙贯穿整个晶粒，位错密度非常高，这就是紧固件头部硬度较大的主要原因.由于杆部的变形量非常小，位错密度较低，几乎未产生形变强化行为，所以杆部的硬度与TC16钛合金丝材退火状态下的相当.

表2 TC16钛合金紧固件不同部位显微硬度检测结果Table 2 Microhardness of locknut at different position

图4 TC16钛合金紧固件头部的位错组态Fig.4 Dislocation configuration of locknut made of TC16 alloy

综上所述，在冷镦过程中，由于TC16钛合金紧固件头部发生了较大的塑性变形，冷变形强化行为显著，因此硬度相对于杆部较高;而紧固件杆部几乎未发生变形，硬度与TC16钛合金丝材退火状态下的值相当.由于热镦紧固件需通过时效热处理提高其强度后才能使用，而TC16钛合金具有冷变形强化特性，因此该合金在冷镦成型的同时可提高其强度，无需经时效热处理即可满足使用要求.

3 结论

(1)TC16钛合金丝材经退火后具有良好的塑性和相对较高的剪切应力，能够确保其在冷镦变形过程中不易发生剪切断裂行为，满足其冷镦性能要求.

(2)TC16钛合金紧固件头部在冷镦过程中发生了较大的塑性变形，冷变形强化行为显著，而紧固件杆部几乎未发生变形，冷变形强化行为可以忽略.TC16钛合金紧固件的冷变形强化行为与显微硬度的分布规律相吻合.

(3)TC16钛合金在冷镦过程中发生的冷变形强化行为，能够保证紧固件在退火状态下其强度即可满足使用要求.

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