紧固件用TC16钛合金棒材热处理工艺研究

第１期(总第２１２期)２０１９年２月机械工程与自动化M E C HA N I C A L ㊀E N G I N E E R I N G㊀&㊀A U T OMA T I O NN o ．１F e b ．文章编号:１６７２Ｇ６４１３(２０１９)０１Ｇ０１３９Ｇ０２紧固件用T C １６钛合金棒材热处理工艺研究高文超１,冯㊀奇２,张㊀智１,李㊀维１,巨莎莎１,吴文琥１(１．西部钛业有限责任公司,陕西㊀西安㊀７１０２０１;２．咸阳天成钛业有限责任公司,陕西㊀咸阳㊀７１００００)摘要:对紧固件用T C １６钛合金棒材的热处理工艺进行了设计和研究,能够满足产品性能要求的退火工艺为:７８０ħ保温２h 后以２ħ/m i n ~４ħ/m i n 的速度炉冷至４００ħ~５００ħ,然后空冷,该退火工艺可保证最大的塑性和最小的强度;或者是７８０ħ保温２h 后空冷,再在６３０ħ保温４h 后空冷,即可保证最大的塑性并具有相当高的强度.关键词:钛合金;棒材;热处理中图分类号:T G １５６ʒT G １４６ ２＋３㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ２５;修订日期:２０１８Ｇ１１Ｇ３０作者简介:高文超(１９７１Ｇ),男,陕西宝鸡人,工程师,本科,研究方向:钛及钛合金的加工.０㊀引言钛及钛合金具有比强度高㊁耐腐蚀性好㊁耐热性能好㊁无磁性等特点,用其生产的紧固件在飞机上使用不仅可以达到减重㊁耐腐蚀的目的,而且是钛合金㊁碳纤维复合材料等结构件必须的连接件,因此成为现代航空航天工业中非常有前途的金属结构材料.T C １６钛合金属于T i ＧA l ＧM o ＧV 系α＋β型高强钛合金,该合金主要在热处理强化状态下使用,本文将分析研究其在棒材生产过程中热处理强化工艺参数的确定.１㊀热处理试验１．１㊀材料试验材料选用Φ６m m 棒材,通过金相分析法测得试验铸锭的相变点为８６０ħ~８６５ħ,棒材锻态组织如图１所示.图１㊀T C １６棒材锻态显微组织１．２㊀热处理工艺及结果本试验依据标准G J B３７６３A ２００４«钛及钛合金热处理»制定了T C １６成品棒材相应的热处理试验工艺,见表１.从表１中可以看出:本试验制定了４份退火工艺,共２类(普通退火㊁双重退火),根据钛及钛合金紧固件力学性能测试取样要求,每份工艺试样为５组.对根据表１热处理工艺热处理后的试样进行了力学性能及工艺性能的测试,其结果如表２所示.由表２可知:７８０ħ保温２h 后空冷的热处理工艺中,所测试的５组力学性能中有３组抗拉强度R m 不能满足产品性能要求,且在测试冷顶锻工艺性能时,均产生开裂;７８０ħ保温２h 随炉冷至５５０ħ后空冷的热处理工艺中有３组断面收缩率Z 低于产品性能要求;另外的两份退火工艺中,其力学性能均满足要求.对比满足要求的两份退火工艺,双重退火的R m 值平均高７６M P a ,Z 值较稳定且略高１％,冷顶锻工艺性能均合格.因此,从力学性能是否能够满足要求的角度来看:我们可以选择出７８０ħ保温２h ,炉冷至５００ħ后空冷热处理工艺及７８０ħ保温２h ,空冷,再在６３０ħ保温４h ,空冷的热处理工艺较适合产品要求.表１㊀T C １６棒材退火工艺热处理工艺普通退火和双重退火第一阶段双重退火第二阶段退火温度(ħ)保温时间(h )冷却方式退火温度(ħ)保温时间(h )冷却方式１７８０２空冷２７８０２２ħ/m i n ~４ħ/m i n 炉冷至５５０ħ后空冷３７８０２２ħ/m i n ~４ħ/m i n 炉冷至５００ħ后空冷４７８０２空冷６３０４空冷２㊀试验结果分析T C １６棒材各种退火状态下的显微组织如图２所示.众所周知,α＋β两相合金和亚稳定β型钛合金退火时除再结晶过程外还可能发生与相变有关的组织性能的变化,T C １６这种β稳定元素含量较高的钛合金的显微组织一般都呈多边形化.另外,经过热变形后的两相钛合金,不仅发生回复和再结晶,还存在亚稳定β相的分解.退火钛合金的综合机械性能的好坏很大程度上取决于多边形和亚稳定β相的分解哪一个先发生,多边形化先发生是所希望的.在图２中,我们可以发现α相完全多边形化了,这样可以推断T C １６钛合金在７８０ħ退火时首先发生的是多边形化.表２㊀T C １６棒材退火态力学性能热处理工艺试样编号抗拉强度R m (M P a)延伸率A (％)断面收缩率Z(％)冷顶锻７８０ħ保温２h ,空冷１９３８１７．５６４开裂２９３７１５．５６４开裂３９１２２０．５６９开裂４９１５２０．５６６开裂５９５０１５．５６４开裂７８０ħ保温２h ,炉冷至５５０ħ后空冷１８４８１８．５５９ ２８６０２０．５５４ ３８３７２１．５６１ ４８５１２２．５６３ ５８５４２０６０ ７８０ħ保温２h,炉冷至５００ħ后空冷１８３５２２６３ ２８２３２５．５６４ ３８４０２２６１ ４８２５２３．５６２ ５８２３２３．５６３７８０ħ保温２h ,空冷,６３０ħ保温４h,空冷１９０８２１６２合格２８９６２１６３合格３９１３２１６４合格４９０５２０．５６４合格５９０３２２６３合格性能要求８１５~９３０ȡ１４ȡ６０ 图２㊀T C １６棒材各种退火状态下的显微组织观察图２(a )~图２(d)显微组织,可以发现在相同的退火温度下保温相同的时间后,仅仅是由于热处理工艺中的冷却方式发生变化,而导致４种热处理工艺下的显微组织产生了不同之处;比较４种金相图发现,图２(c )㊁图２(d )的α相含量较图２(a )㊁图２(b)的金相组织中α相含量多,同时可以注意到,图２(d)中的α相和β相分布更加弥散.结合表２可知:采用随炉冷却到一定温度后再空冷的冷却方式,材料力学性能的稳定性较好.这一现象与相关资料研究得到的结论相吻合,以２ħ/m i n ~４ħ/m i n 的速度炉冷时,可以得到相当稳定的α＋β组织.至于各工艺之间机械性能存在高低不等的差异,这与其他的两相合金一样,在冷却方式发生变化后,T C １６钛合金中α相和β相的分布比例会产生变化,从而引起材料机械性能的变化.T C １６钛合金在靠近 临界温度 ７９０ħ的温度下即７８０ħ退火后空冷时,强度特性较高(见表２),且塑性特性仍然能够保持很高,这主要是空冷并不能使亚稳定β相固定下来,这些亚稳定β相发生了部分的分解.对比图２中的４种显微组织,还可以发现T C １６钛合金的退火组织是α相和β相的混合组织,在两相区靠近A c ３点时(A c ３点为α相转变为β相的开始温度,T C １６钛合金的A c ３点是８００ħ)晶粒实际上是不长大的.双重退火的第一阶段中组织及相组成的特点如上所述,在空冷过程中没有分解的亚稳定β相在第二阶段继续并完全分解,亚稳定β相的分解方式可以简单地表示为:β亚稳定ңβ亚稳定＋αңβ＋α.这个过程在电子金相研究中可以被观察到,最终的显微组织如图２(d)所示,具有更加弥散的α相组织且其含量远远高于β相的含量.在表２中,双重退火状态下的强度较之其他几种退火状态下的要高些,这是与亚稳定β相的分解弥散强化相关的;双重退火状态下的塑性也比较高,这与α相含量有相当的关系,因此可以解释在两种退火状态下的冷顶锻试验中,空冷方式全部开裂而双重退火状态下全部合格的测试结果.３㊀结论(１)７８０ħ保温２h 后以２ħ/m i n ~４ħ/m i n 的速度炉冷至４００ħ~５００ħ,然后在空气中冷却,可保证最大的塑性和最小的强度.(２)７８０ħ保温２h 后在空气中冷却,再在６３０ħ保温４h ,空冷,即可保证最大的塑性和也可具有相当高的强度.(３)双重退火可使亚稳定β相的分解产生弥散强化,冷顶锻测试性能全部合格.参考文献:[１]㊀王金友,葛志明,周彦邦．航空用钛合金[M ]．上海:上海科学出版社,１９８５．I n v e s t i g a t i o no nH e a t T r e a t m e n t T e c h n o l o g y o fT C １６T i t a n i u m A l l o y Ba r f o rF a s t e n e rG A O W e n Ｇc h a o １,F E N G Q i ２,Z H A N GZ h i １,L IW e i １,J US h a Ｇs h a １,W U W e n Ｇh u１(１．W e s t e r nT i t a n i u m T e c h n o l o g l e sC o ．,L t d ．,X i ᶄa n ７１０２０１,C h i n a ;２．X i a n y a n g T i a n c h e n g T i t a n i u mI n d u s t r y C o ．,L t d ．,X i a n y a n g ７１００００,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h i s p a p e r ,t h e h e a t t r e a t m e n t p r o c e s s o f T C １６t i t a n i u ma l l o y r o d f o r f a s t e n e r sw a s d e s i gn e d a n d s t u d i e d ,a n d t w om e t h o d sw e r e p r o p o s e dw h i c h c o u l dm e e t t h e r e qu i r e m e n t s o f t h e p r o d u c t ᶄs p e r f o r m a n c e ．O n e i sh e a t p r e s e r v a t i o na t ７８０ħf o r ２h ,t h e n t h e f u r n a c e i s c o o l e d a t ２~４ħ/m i n t o a b o u t ４５０ħa n d t h e n a i r c o o l e d ,w h i c h c a n g u a r a n t e e t h em a x i m u m p l a s t i c i t y a n dm i n i m u ms t r e n gt h ．T h e o t h e r i s h e a t p r e s e r v a t i o n a t ７８０ħf o r ２h a n d a i r c o o l e d ,a n d t h e n k e e p i n g a t ６３０ħf o r ４h a n d a i r c o o l e d ,t o e n s u r e t h em a x i m u m p l a s t i c i t ya n d f a i r l y h i g h s t r e n gt h ．K e yw o r d s :t i t a n i u ma l l o y ;b a r ;h e a t t r e a t m e n t０４１ 机械工程与自动化㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年第１期㊀。