解文卓，張佼，周亮

（1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710050）（2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014 ）

關(guān)鍵字：TC16鈦合金；加熱溫度；保溫時(shí)間；組織性能

1 引言

TC16鈦合金的名義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V，為α+β型兩相高強(qiáng)鈦合金，與俄羅斯BT16成分相同。TC16鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度為860℃±20℃。具有良好的工藝塑性，疲勞強(qiáng)度高，通過固溶時(shí)效或冷變形強(qiáng)化后抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1030～1080MPa，剪切強(qiáng)度為650～700MPa，并且對(duì)缺口、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中敏感性較小、能很好地承受偏斜載荷。TC16鈦合金絲材（Φ4mm～Φ8mm）主要用于制造螺釘、螺栓、鉚釘、螺母、墊片等飛機(jī)用緊固件，包括螺栓、螺釘、螺母和環(huán)槽鉚釘桿等，主要用在后機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等部位，通過對(duì)TC16，Φ6.1mm絲材組織、性能的研究，可以根據(jù)用途為緊固件后續(xù)加工選擇不同的加熱溫度和加熱時(shí)間，為獲得不同的組織與性能以及大批量生產(chǎn)提供更優(yōu)的理論依據(jù)。

為獲得加熱溫度和加熱時(shí)間在拉拔過程中對(duì)組織和性能的影響，選取成品規(guī)格Φ6.1mm，溫拉工序采用管式爐加熱，經(jīng)不同的加熱溫度和加熱時(shí)間，以及相同的熱處理制度后分析其組織與性能的變化機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用的材料均由寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)的Φ9.5mm的TC16棒材，坯料的化學(xué)成分，見表1,檢測(cè)相變點(diǎn)為860℃。

2.1 工藝過程

（1）拉伸工序具體步驟：

磨頭→燒頭→穿?！鷬A頭→連續(xù)加熱→拉伸

（2）拉伸選材

坯料的相關(guān)參數(shù)見表2：

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)規(guī)格Φ7.1坯料進(jìn)行拉伸，加熱溫度分別為840℃、860℃、870℃、890℃、1050℃；保溫時(shí)間分別采用1min，2min，3min，5min，并采用相同的熱處理制度具體見表3：研究組織和性能的變化機(jī)理。

3 組織與性能分析

3.1 按照工藝方案執(zhí)行后，進(jìn)行取樣、標(biāo)識(shí)，對(duì)絲材的橫向進(jìn)行了顯微組織分析，具體如下：

通過顯微組織可以看出，加熱溫度在840℃時(shí)，隨著加熱時(shí)間的不斷增加，圖1（a～d）試樣在500X顯微組織為典型的細(xì)小的兩相區(qū)等軸α+β轉(zhuǎn)加工組織，無原始β晶界，初生α的平均尺寸為2μm；TC16合金相變點(diǎn)較低，為850℃～870℃，在860℃加熱時(shí)，從圖2 a）可以看出雖然為雙態(tài)組織，已經(jīng)逐漸形成細(xì)小的長(zhǎng)條α；（b～d）可以看出隨著加熱時(shí)間的增加，晶粒在緩慢長(zhǎng)大，逐漸形成少量的β晶界。

表1 TC16化學(xué)成分

表2 坯料參數(shù)及加熱爐加熱區(qū)長(zhǎng)度

表3 TC16棒（絲）材熱處理制度

圖1 840℃，不同加熱時(shí)間

在870℃加熱時(shí)，對(duì)500X組織照片進(jìn)行分析具體見圖3（a～d），隨著加熱時(shí)間的增加，晶粒明顯長(zhǎng)大，原始β晶粒比較細(xì)小，已經(jīng)出現(xiàn)完整的β晶界，平均尺寸約為40μm，部分晶界α呈斷續(xù)狀，晶內(nèi)α呈平行的短條狀，從4組顯微組織照片可以看出，已經(jīng)形成魏氏組織。

圖2 860℃，不同加熱時(shí)間

隨著溫度的不斷增加，β晶粒也在迅速的長(zhǎng)大，在890℃時(shí)具體見圖4（a～d），呈現(xiàn)明顯魏氏組織，β晶界也在迅速的長(zhǎng)大，原始β晶粒清晰可見，晶粒度平均尺寸為137um，β晶界上分布平直的晶界α，也存在少部分?jǐn)嚅_的晶界α，在晶界α附近有一個(gè)極窄的貧α相區(qū)域，一個(gè)晶粒內(nèi)的短條α呈編織狀；

加熱溫度增加到1050℃時(shí)，具體見圖5（a～d），隨著加熱時(shí)間的增加，原始β晶粒清晰可見，晶粒度平均尺寸為180um，類似β區(qū)加工組織，也就是網(wǎng)籃組織，晶界內(nèi)有明顯的次生α相。

圖3 870℃，不同加熱時(shí)間

圖4 890℃，不同加熱時(shí)間

圖5 1050℃，不同加熱時(shí)間

表2 棒材的室溫力學(xué)性能

綜上分析，隨著加熱溫度和保溫時(shí)間的變化，從以上顯微組織分析可以得出，加熱溫度從840℃到870℃，絲材顯微組織從等軸的α+β轉(zhuǎn)，無原始β晶界，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏辖M織；隨著保溫時(shí)間的增加，β晶粒也在迅速的長(zhǎng)大，出現(xiàn)的明顯β晶粒。經(jīng)對(duì)不同加熱溫度和不同保溫時(shí)間的顯微組織分析，在840℃時(shí)顯微組織更符合加工要求。

3.2 力學(xué)性能比較

為了進(jìn)一步比較不同溫度下的產(chǎn)品的力學(xué)性能，我們選取不同加熱溫度，1min 的試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括抗拉強(qiáng)度、剪切性能、伸長(zhǎng)率和收縮率，具體數(shù)據(jù)如表2所示：

4 結(jié)論

1）從顯微組織照片可以看出，試樣840℃下為兩相區(qū)加工組織，無β晶界形成，860℃時(shí)發(fā)生相變，出現(xiàn)完整的β晶界，隨著加熱溫度的不斷升高，β晶粒迅速長(zhǎng)大，加熱溫度提高到870℃時(shí)，形成魏氏組織，晶粒較大，晶界明顯。在840℃～1050℃時(shí)，試樣平均晶粒尺寸為2um～180um之間，840℃時(shí)顯微組織更符合加工要求。

2）通過對(duì)棒材試樣力學(xué)性能對(duì)比，在840℃時(shí)棒材綜合性能最優(yōu)，隨著溫度的不斷增加，棒材的拉伸強(qiáng)度及塑性指標(biāo)明顯下降，剪切性能略降。