王富強(qiáng)，沙春鵬，孫小嵐

(中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司 制造工程部，沈陽 110034)

由于鈦合金緊固件顯著的減重效果和優(yōu)異的耐蝕性能，使其成為目前先進(jìn)飛機(jī)上鈦合金、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接的首選部件［1，2］，其用量隨著鈦合金及復(fù)合材料在飛機(jī)上用量的不斷擴(kuò)大而增加.因此，對(duì)其冷鐓性能進(jìn)行研究有著重要的實(shí)際意義.

當(dāng)前在飛機(jī)上獲得應(yīng)用的鈦合金緊固件可分為歐美和俄羅斯兩個(gè)體系［3］.歐美國家一般以通用型TC4(Ti－6Al－4V)鈦合金制造緊固件，只能采用熱鐓的方式制作，而俄羅斯則采用專用型BTl6(Ti－3A1－5Mo－4.5V)鈦合金生產(chǎn)緊固件，可以采用連續(xù)冷鐓的方式制作.后者在制作方式和生產(chǎn)效率上比前者更具優(yōu)勢，且同類零件的成本和工作量只有前者的30% ～50%.考慮到BTl6鈦合金制作緊固件的眾多優(yōu)點(diǎn)，在參考其成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，我國在本世紀(jì)初開發(fā)出國產(chǎn)的TCl6鈦合金，并開展了冷擠壓性能、冷變形強(qiáng)化效果、冷鐓緊固件力學(xué)性能等方面的研究工作［4～6］.但是，由于冷鐓工藝對(duì) TCl6 鈦合金絲材的性能要求極高，到目前為止國內(nèi)還未形成批量生產(chǎn)冷鐓鈦合金緊固件的能力.

本文在最新研制TC16鈦合金冷鐓絲材的基礎(chǔ)上，分析由其冷鐓成型緊固件的顯微硬度、組織及流線分布情況，為TC16鈦合金冷鐓緊固件的批量制造提供技術(shù)原型.

1 試驗(yàn)材料及研究方法

研究用TC16鈦合金絲材由中國科學(xué)院金屬研究所提供，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:Al 3.17，Mo 5.11，V 4.50，C 0.020，F(xiàn)e 0.058，Si＜0.05，Zr＜0.01，O 0.12，N 0.005 7，H 0.000 7，余量為Ti，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.采用真空自耗電弧爐熔煉，鑄錠經(jīng)過開坯、鍛造、軋制成 8 mm的棒材，然后再拉制成 6.1 mm的絲材.冷鐓前進(jìn)行退火處理，退火熱處理制度為:780℃，保溫2 h，以2～4℃/min的冷速爐冷至550℃以下，隨后空冷.經(jīng)退火的絲材在A121型冷鐓機(jī)上鐓制成 6 mm的緊固件，將緊固件沿軸向縱向剖開進(jìn)行粗磨、精磨、拋光及腐蝕.作為對(duì)比，同時(shí)對(duì)TC16鈦合金絲材進(jìn)行分析.采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡(OM)觀察顯微組織及流線分布，在TUKON 2500顯微硬度計(jì)上測量硬度.通過機(jī)械減薄及雙噴電解減薄制備透射試樣，并在TECNAI G2透射電子顯微鏡(TEM)上觀察合金的微觀結(jié)構(gòu).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷鐓成型性能分析

表1為研究用TC16鈦合金絲材的室溫力學(xué)性能和鐓鍛試驗(yàn)結(jié)果，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行了對(duì)比.由表1可見，TC16鈦合金絲材的延伸率、斷面收縮率及剪切強(qiáng)度都明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求，在鐓鍛比為1∶4條件下進(jìn)行了200組鐓鍛試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格.

表1 TC16鈦合金的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of TC16 alloy

金屬材料的冷鐓成型性能與塑性、剪切強(qiáng)度及顯微組織等有關(guān)，當(dāng)材料的塑性很好時(shí)，材料本身變形能力比較強(qiáng)，在冷鐓大變形過程中不容易產(chǎn)生裂紋;當(dāng)材料剪切強(qiáng)度較高時(shí)，抗剪切變形能力較大，冷鐓變形帶分岔部位的晶粒在受到剪切應(yīng)力的作用時(shí)也不容易發(fā)生斷裂.因此，良好的塑性和理想的抗剪切變形能力是確保TC16鈦合金在冷鐓大變形過程中不產(chǎn)生裂紋的前提基礎(chǔ).

2.2 顯微組織及流線分析

圖1為TC16鈦合金絲材在退火狀態(tài)下的縱向顯微組織照片.由圖可知，經(jīng)退火后的TC16合金為片狀組織，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)平直的晶界α相，片狀初生α相長度很短.已有研究表明［4］，TC16鈦合金的“超細(xì)”片狀組織具有與等軸組織相當(dāng)甚至更好的塑性.

圖1 TC16鈦合金絲材縱向顯微組織Fig.1 Vertical microstructure of TC16 Wire

圖2為經(jīng)冷鐓成型TC16鈦合金緊固件頭部的縱向低倍組織.由圖2可見，緊固件頭部形成了沿外形分布的流線，而內(nèi)部則形成了“一字雙岔狀變形帶”.在“一字雙岔狀變形帶”的“一”字部分，晶粒幾乎被壓縮成一條線，表明冷鐓過程中頭部中心部位產(chǎn)生了極大的變形，但是冷鐓緊固件內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)裂紋.

圖2 TC16鈦合金緊固件縱向低倍組織Fig.2 Vertical macrostructure of locknut made of TC16 alloy

圖3給出了圖2中“A”和“B”兩典型部位的微觀組織照片.對(duì)比圖3a和圖3b可知，“A”和“B”兩處片狀α相的平直度有很大差異，“A”處片狀α相發(fā)生了極大地變形，幾乎被拉成了條狀，進(jìn)一步證明緊固件頭部發(fā)生了較大變形，而“B”處的顯微組織與TC16鈦合金絲材退火狀態(tài)(見圖1)相近，可見緊固件桿部幾乎未發(fā)生變形.

2.3 顯微硬度分析

材料硬度值的大小取決于其化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，并能敏感地反映材料的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)差異;硬度測試是研究材料不均勻變形的一種有效手段［7］.由于冷鐓變形是材料不均勻變形的一種［8］，因此研究冷鐓緊固件的硬度分布有利于對(duì)冷鐓過程及冷鐓后的使用狀態(tài)有更深入的了解.TC16鈦合金緊固件顯微硬度的測試部位如圖2中的“1”～“4”所示，表2則給出了測試結(jié)果.為了便于比較，表2中同時(shí)列出了TC16鈦合金絲材退火狀態(tài)的硬度值.由表2可知，TC16鈦合金緊固件的硬度值(HV0.1)分布在2 500～3 100 MPa之間，頭部“2”處的硬度值最高，而桿部“4”處的硬度值最低，頭部硬度明顯高于桿部，桿部的硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態(tài)下的值相當(dāng).

圖3 TC16鈦合金緊固件縱向顯微組織Fig.3 Vertical microstructure of locknut made of TC16 alloy

圖2中“2”處附近的典型位錯(cuò)組態(tài)如圖4所示.由于α和β兩相的襯度相差很大，通過樣品傾轉(zhuǎn)可分別觀察兩相的位錯(cuò)，圖中β相晶粒變形非常大，出現(xiàn)了明顯的位錯(cuò)墻，而鄰近的α相相界面也出現(xiàn)了大量位錯(cuò)，說明α相也發(fā)生了塑性變形.與密排六方的α相相比，體心立方的β相具有更多的滑移系和更低的堆積密度，也就是說β相比α相軟，所以形變首先出現(xiàn)在β相中.在樣品的透射試驗(yàn)中未觀察到明顯的孿晶衍射花樣，表明TC16鈦合金試樣是以位錯(cuò)滑移的方式發(fā)生塑性變形的.隨著形變量的增加，形變由β相發(fā)展到α相，由于晶體中位錯(cuò)滑移不能穿過α/β兩相界面于是就在相界面處塞積產(chǎn)生形變強(qiáng)化行為，使得應(yīng)力提高而導(dǎo)致較硬的α相開始進(jìn)行滑移［9］.由圖4可見“一字雙岔狀變形帶”的“一”字部分位錯(cuò)墻貫穿整個(gè)晶粒，位錯(cuò)密度非常高，這就是緊固件頭部硬度較大的主要原因.由于桿部的變形量非常小，位錯(cuò)密度較低，幾乎未產(chǎn)生形變強(qiáng)化行為，所以桿部的硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態(tài)下的相當(dāng).

表2 TC16鈦合金緊固件不同部位顯微硬度檢測結(jié)果Table 2 Microhardness of locknut at different position

圖4 TC16鈦合金緊固件頭部的位錯(cuò)組態(tài)Fig.4 Dislocation configuration of locknut made of TC16 alloy

綜上所述，在冷鐓過程中，由于TC16鈦合金緊固件頭部發(fā)生了較大的塑性變形，冷變形強(qiáng)化行為顯著，因此硬度相對(duì)于桿部較高;而緊固件桿部幾乎未發(fā)生變形，硬度與TC16鈦合金絲材退火狀態(tài)下的值相當(dāng).由于熱鐓緊固件需通過時(shí)效熱處理提高其強(qiáng)度后才能使用，而TC16鈦合金具有冷變形強(qiáng)化特性，因此該合金在冷鐓成型的同時(shí)可提高其強(qiáng)度，無需經(jīng)時(shí)效熱處理即可滿足使用要求.

3 結(jié)論

(1)TC16鈦合金絲材經(jīng)退火后具有良好的塑性和相對(duì)較高的剪切應(yīng)力，能夠確保其在冷鐓變形過程中不易發(fā)生剪切斷裂行為，滿足其冷鐓性能要求.

(2)TC16鈦合金緊固件頭部在冷鐓過程中發(fā)生了較大的塑性變形，冷變形強(qiáng)化行為顯著，而緊固件桿部幾乎未發(fā)生變形，冷變形強(qiáng)化行為可以忽略.TC16鈦合金緊固件的冷變形強(qiáng)化行為與顯微硬度的分布規(guī)律相吻合.

(3)TC16鈦合金在冷鐓過程中發(fā)生的冷變形強(qiáng)化行為，能夠保證緊固件在退火狀態(tài)下其強(qiáng)度即可滿足使用要求.

［1］沙愛學(xué)，王慶如，李興無.BTl6鈦合金緊固件加工工藝分析［J］.稀有金屬材料與工程，2006，35(3):455－458.

(Sha Aixue，Wang Qingru，Li Xingwu.Process analysis of BTl6 titanium alloy fastener［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2006，35(3):455 －458.)

［2］《中國航空材料手冊》編輯委員會(huì).中國航空材料手冊(第2版)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001:173－179.

(《China Aeronautical Materials Handbook》 Editorial Committee.China aeronautical materials handbook(The second edition)［M］.Beijing:China Standard Press，2001:173 －179.)

［3］張慶玲，王慶如，李興無.航空用鈦合金緊固件選材分析［J］.材料工程，2007(1):11－18.

(Zhang Qingling， Wang Qingru， Li Xingwu. Materials selection analysis for titanium alloy fasteners in aviation industry［J］.Materials Engineering，2007(1):11 －18.)

［4］吳崇周.退火制度對(duì)TCl6鈦合金組織和性能的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(9):94－96.

(Wu Chongzhou.Effects of annealing scheme on the structure and properties of TC16 titaniun alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38(9):94－96.)

［5］吳崇周，李興無.TC16鈦合金室溫變形特性研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2006，23(6):17－19.

(Wu Chongzhou，Li Xingwu.Study of deformation characters of TC16 titaniun alloys under room temperature［J］.Titanium industry progress，2006，23(6):17 －19.)

［6］吳崇周，李興無.冷變形強(qiáng)化對(duì)BTl6鈦合金性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37(9):580－583.

(Wu Chongzhou，Li Xingwu.The study of the effects of cold deformation on the properties of BTl6 titanium alloy［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2008，37(9):580 －583.)

［7］王俊，王玉玲.BT16鈦合金滲氫壓縮試樣中的剪切帶［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30(11):2199－2206.

(Wang Jun，Wang Yuling.Shear band of compression sample of alloy BT16 after hydrogenation［J］.Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica，2009，30(11):2199 －2206.)

［8］石建華.TC16鈦合金熱處理與冷鐓變形行為研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2012.

(Shi Jianhua.Study on heat－treatment and cold－forging process of TC16 titanium alloy［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2012.)

［9］馬琴琴，鄭為為，李興無.TC16鈦合金不同退火制度的顯微組織研究［J］.材料工程，2009(1):19－22.

(Ma Qinqin，Zheng Weiwei，Li Xingwu.Microstructures of TC16 titanium alloy annealed at different conditions［J］.Material Engineering，2009(1):19－22.)