鈦合金作為一種新興結(jié)構(gòu)材料，因其具有高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐高溫性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高端工業(yè)領(lǐng)域［1］。近年來，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的快速發(fā)展及航空航天制造技術(shù)水平的整體提升，對(duì)緊固件用鈦合金材料的需求量越來越大，鈦合金緊固件代替大部分比強(qiáng)度低的鋼制緊固件后，對(duì)飛行器的減重效果非常顯著，目前我國(guó)自主研發(fā)的鈦合金緊固件已在重要領(lǐng)域獲得了大量的工程應(yīng)用［2-3］。因此，強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的鈦合金緊固件在當(dāng)前形勢(shì)下有著巨大的市場(chǎng)空間［4］。

TC4鈦合金具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛用來制造各種航空航天用棒絲材，同時(shí)由于該材料具有高比強(qiáng)度和與復(fù)合材料電位特性相近的特點(diǎn)，已經(jīng)逐步替代鋼材料和鎳基材料，在航空航天緊固件領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［5-6］。隨著TC4鈦合金加工緊固件用途的不斷拓寬，一些國(guó)內(nèi)外的航空公司對(duì)其提出了力學(xué)性能要求［7］，而這一要求需采用固溶時(shí)效工藝來滿足，固溶時(shí)效處理可以提高合金的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能，從而發(fā)揮其綜合優(yōu)越性［8］。TC4鈦合金屬于典型的雙相熱強(qiáng)鈦合金，其力學(xué)性能在很大程度上取決于微觀組織，而TC4鈦合金的相結(jié)構(gòu)(α相、β相、α'相、α″相以及ω相)與微觀組織形貌隨著變形工藝和熱處理制度的改變而改變。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)緊固件用TC4鈦合金的研究主要側(cè)重于熱穩(wěn)定性能的研究［9］。

Patia等［10］采用不同固溶時(shí)效處理，得出淬火延遲時(shí)間從30s增加到70s，α相含量隨之增加，導(dǎo)致固溶處理后材料的強(qiáng)度和硬度降低［11］。

本文通過對(duì)航天緊固件用TC4鈦合金絲材進(jìn)行固溶時(shí)效處理［12］，研究延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)固溶時(shí)效后組織與性能的影響規(guī)律，以期為特殊用飛機(jī)零件的生產(chǎn)提供組織和性能依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采用φ5.1mm的TC4鈦合金絲材作為試驗(yàn)用料，該絲材經(jīng)真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制、拉絲制成，其鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620.1-2016《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分》的要求(見表1)。

1.2試驗(yàn)方法

取φ5.1mm×300mm的試樣12支，其中6支進(jìn)行固溶+延時(shí)淬火處理(ST)，剩余6支進(jìn)行固溶時(shí)效+延時(shí)淬火處理(STA)。固溶+延時(shí)淬火熱處理制度:

6支試樣于940℃裝爐，待爐溫升至940℃后保溫1h，取出后流水冷卻，延遲淬火時(shí)間分別為0(不延時(shí)，出爐直接流水淬)、2、4、6、8、10s;固溶時(shí)效+延時(shí)淬火熱處理制度:6支試樣于940℃裝爐，待爐溫升至940℃保溫1h后，爐冷到540℃時(shí)效6h，取出后流水冷卻，延遲淬火時(shí)間分別為0、2、4、6、8、10s。

為防止試樣在熱處理過程中出現(xiàn)彎折，熱處理時(shí)需保持試樣水平置于爐內(nèi)耐火磚上。試樣熱處理后打磨拋光至表面無氧化層，在試樣不同位置取樣，分別進(jìn)行顯微組織、室溫拉伸、剪切性能檢測(cè)。顯微組織采用OLYMPICSPLAG3光學(xué)顯微鏡檢測(cè)，拉伸和剪切試驗(yàn)采用INSTＲON8985萬能試驗(yàn)機(jī)，拉伸速率為0.4mm/min，最大試驗(yàn)力為250kN。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1延時(shí)淬火對(duì)顯微組織的影響

2.1.1固溶+延時(shí)淬火

TC4合金絲材固溶+延時(shí)淬火后的顯微組織如圖1所示。可以看出，由于固溶溫度稍低于相變點(diǎn)溫度，α相并沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵鋮s后組織中仍有初生α相。隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉(zhuǎn)逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。延時(shí)淬火時(shí)間為0～6s(見圖1(a～d))時(shí)，組織形態(tài)為等軸組織，由初生α相(占比約為90%)和α'相組成，未發(fā)現(xiàn)β轉(zhuǎn)組織，無次生α相析出;延時(shí)淬火時(shí)間為8s(見圖1(e))時(shí)，β轉(zhuǎn)開始析出，組織形態(tài)為等軸組織，由初生α相(占比約為70%)和細(xì)β轉(zhuǎn)組成;延時(shí)淬火時(shí)間為10s(見圖1(f))時(shí)，β轉(zhuǎn)明顯增多，初生α相含量急劇減少，組織形態(tài)介于等軸組織和雙態(tài)組織之間，由初生α相(占比約為50%)和粗β轉(zhuǎn)組成。

2.1.2固溶時(shí)效+延時(shí)淬火

TC4合金絲材固溶時(shí)效處理+延時(shí)淬火后顯微組織如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉(zhuǎn)逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。延時(shí)淬火時(shí)間為0～4s(見圖2(a～c))時(shí)，組織形態(tài)為等軸組織，主要由細(xì)小的初生α相(占比約為50%)和時(shí)效α相組成;延時(shí)淬火時(shí)間為6s(見圖2(d))時(shí)，晶粒尺寸異常增大，β轉(zhuǎn)開始析出次生α相，隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，β轉(zhuǎn)析出次生α相的數(shù)量增加，且次生α相寬度逐漸增大。

對(duì)比TC4合金絲材固溶+延時(shí)淬火和固溶時(shí)效+延時(shí)淬火后的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，固溶時(shí)效后顯微組織中有較高含量的強(qiáng)化相，包括次生α相和時(shí)效α相，同時(shí)晶粒尺寸也更小。

2.2延時(shí)淬火對(duì)力學(xué)性能的影響

鈦合金的性能與其微觀組織形貌有著密不可分的聯(lián)系。延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后強(qiáng)度的影響如圖3所示，可以看出，固溶時(shí)效后材料強(qiáng)度明顯大于固溶后強(qiáng)度，這是因?yàn)闀r(shí)效過程中析出的過渡相(α'相、α″相和ω相)作為強(qiáng)化相會(huì)增加材料的強(qiáng)度。對(duì)于固溶和固溶時(shí)效態(tài)，隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，強(qiáng)度值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這是因?yàn)榇慊疬^程中發(fā)生了馬氏體相變，即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，合金的塑性會(huì)有所升高，強(qiáng)度、硬度稍有降低。

對(duì)比固溶和固溶時(shí)效在不同延時(shí)淬火時(shí)間下的強(qiáng)度值可以發(fā)現(xiàn)，固溶時(shí)效+10s延時(shí)淬火后強(qiáng)度與固溶+0s(未延時(shí)淬火)后強(qiáng)度接近，由此可以推斷，在本試驗(yàn)條件下，延時(shí)淬火10s對(duì)強(qiáng)度的削減值基本等同于時(shí)效處理對(duì)強(qiáng)度的增加值。

延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后塑性的影響如圖4所示，可以看出，塑性變化規(guī)律與強(qiáng)度變化規(guī)律大致呈現(xiàn)反比關(guān)系，即固溶時(shí)效后材料塑性明顯小于固溶處理后塑性，隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，塑性均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后韌性的影響如圖5所示，可以看出固溶時(shí)效后材料的韌性基本大于固溶后韌性。對(duì)于固溶和固溶時(shí)效，隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，韌性逐漸減小，這是因?yàn)殡S著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，即淬火前材料空冷的時(shí)間增加，片層狀的次生α相厚度在慢速冷卻過程中變大，形態(tài)由魏氏組織趨向于網(wǎng)籃組織，而裂紋在細(xì)片層狀組織中擴(kuò)展較困難，因此斷裂韌度更高。

3、結(jié)論

1)隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，固溶和固溶時(shí)效后TC4鈦合金絲材顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉(zhuǎn)逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。

2)對(duì)比固溶+延時(shí)淬火和固溶時(shí)效+延時(shí)淬火后顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，固溶時(shí)效后TC4鈦合金絲材顯微組織中有較高含量的強(qiáng)化相，包括次生α相和時(shí)效α相，同時(shí)晶粒尺寸也更小。

3)固溶時(shí)效后材料強(qiáng)度和韌性大于固溶后，塑性小于固溶后。

4)隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加，強(qiáng)度和韌性均呈減小趨勢(shì)，塑性值均呈增大趨勢(shì)。

5)在本試驗(yàn)條件下，延時(shí)淬火10s對(duì)強(qiáng)度的削減值基本等同于時(shí)效處理對(duì)強(qiáng)度的增加值。

參考文獻(xiàn):

［1］王清瑞，沙愛學(xué)，黃利軍，等.顯微組織類型對(duì)TC4鈦合金絲材性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2022，39(4): 12-15．

Wang Qingrui，Sha Aixue，Huang Lijun，et al.Influence of different type of microstructure on properties of TC4 titanium alloy wire［J］．Titanium Industry Progress，2023，39(4): 12-15．

［2］張利軍，王幸運(yùn)，郭啟義，等.鈦合金材料在我國(guó)航空緊固件中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2013(16): 129-133．

Zhang Lijun，Wang Xingyun，Guo Qiyi，et al.Application of titanium alloy in Chinese aircraft fastener ［J］．Aeronautical Manufacturing Technology，2013(16): 129-133．

［3］李蒙，鳳偉中，關(guān)蕾，等.航空航天緊固件用鈦合金材料綜述［J］.有色金屬材料與工程，2018，39(4): 49-53．

Li Meng，F(xiàn)eng Weizhong，Guan Lei，et al.Summary of titanium alloy for fastener in aerospace ［J］．Nonferrous Metal Materials and Engineering，2018，39(4): 49-53．

［4］于建政，寧廣西，林忠亮，等.航空工藝鈦合金緊固件時(shí)效分析研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2013，27(21): 256-264．

Yu Jianzheng，Ning Guangxi，Lin Zhongliang，et al.Failure analysis process of titanium alloy fastener used in aerospace industry［J］.Materials Ｒeports，2013，27(21): 256-264．

［5］王悔改，冷文才，李雙曉，等.熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2011，40(10): 181-183．

Wang Huigai，Leng Wencai，Li Shuangxiao，et al.Effects of heat treatment process on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy［J］.Hot Working Technology，2011，40(10): 181-183．

［6］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用［M］.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2005: 21-71．

［7］張延生，胡海洋，馬英，等.熱處理對(duì) Ti-6Al-4V 棒材固溶時(shí)效性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2005，22(6): 18-23．

Zhang Yansheng， Hu Haiyang， Ma Ying， et al．Effects of heat treatment on Ti-6Al-4V titanium alloy bars on solution ageing performance［J］.Titanium Industry Progress，2005，22(6): 18-23．

［8］顧曉輝，劉君，石繼紅.淬火、時(shí)效溫度對(duì)TC4鈦合金組織和力學(xué)性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36(2): 29-33．

Gu Xiaohui，Liu Jun，Shi Jihong.Influence of quenching and aging temperature on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy［J］.Heat treatment of metals，2011，36(2): 29-33．

［9］景然.固溶時(shí)效對(duì)TC4鈦合金組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2018，43(8): 152-156．

Jing Ｒan．Effects of solution and aging on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy［J］.Heat Treatment of Metals，2018，43(8): 152-156．

［10］李敏娜，馬保飛，郭金明，等.高強(qiáng)韌 TB8 鈦合金的熱處理制度［J］.金屬熱處理，2021，46(9): 116-119．

Li Minna，Ma Baofei，Guo Jinming，et al.Heat treatment of TB8 titanium alloy with high strength and toughness［J］.Heat Treatment of Metals，2021，46(9): 116-119．

［11］譚聰，肖寒，張宏宇，等.固溶時(shí)效對(duì)海綿鈦 /電解鈦熔煉TC4鈦合金熱軋板材組織與性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2020，49(12): 4290-4296．

Tan Cong，Xiao Han，Zhang Hongyu，et al.Effect of solution and aging treatment on microstructure and properties of TC4 titanium alloy hot-rolled sheet

by sponge titanium /electrolytic titanium melting［J］．Ｒare Metal Materials and Engineering，2020，49(12) : 4290-4296．

［12］吳晨，馬保飛，肖松濤，等.航天緊固件用TC4鈦合金棒材固溶時(shí)效后 的 組 織 與 性 能［J］．金 屬 熱 處 理，2021，46 ( 11 ):166-169．

Wu Chen， Ma Baofei， Xiao Songtao， et al．Microstructure and properties of TC4 titanium alloy bar for aerospace fasteners after solid solution treatment and aging［J］.Heat Treatment of Metals，2021，46(11):166-169．

相關(guān)鏈接