熱處理工藝對緊固件用高強鈦合金棒材的組織和性能的影響

發布時間：2023-11-16 07:26:09 瀏覽次數：

緊同件用鈦合金可分為兩類：一類為α+β鈦合金。常用的是美國Ti-6Al-4V、俄羅斯的BT16合金；另一種是β型鈦合金，常用的有我國的TB3、TB2-1、美國的βc和βIII。

由于TC4鈦合金抗托強度為1100MPa，剪切強度為655MPa，而且硬化能力有限，不適合制作更高強度或大直徑緊同件使用。BT16合金退火狀態下具有高塑性（δ=12％，ψ=50％)，同時保持了較高的強度(σ_b>815MPa)，但其強度和疲勞性能水平比Ti-6Al-4V、TB3要低一些。而采用β合金制造的冷鐓鉚釘性能優良，但其螺栓的綜合水平要比兩相鈦合金的低。因此，研制更高強度鈦合金已成為緊同件的發展趨勢。美國于20世紀90年代開始研制超高強高強度緊固件用鈦合金，Timetall25(Ti-6.0AI-6.2Mo-5.7Fe-2.7AI)替代鎳基或鐵基材料，如A-286、H-11或IN718合金。日本為了提高汽車的力學性能，采廂冷鐓性能好的Ti-16V-4Sn-3A1-3Nb。主要用于汽車發動機上。

鈦合金棒

Ti-26合金是西北有色金屬研究院研制的一種亞穩B型緊同件用鈦合金，具有良好的冷、熱加工性能。同其他緊固件用鈦合金相比，其同溶處理后具有良好的冷鐓性能，并且固溶時效后性能可以達到σ_b≥1250MPa，δ₅≥10％，ψ≥30％，τ≥750MPa，可廣泛地用于螺栓、鉚釘等的制造[3]。

由于對該合金的熱加丁性能與加T后的組織形態研究較少[4-5]，本文主要通過對Ti-26合金棒材經過一道次80％變形量的加工，研究了固溶時效對合金組織和性能的影響，并比較了其斷口形貌變化。以研究合金的熱變形特性，對該合金的加工工藝起指導作用。

1、實驗材料及方法

所用Ti-26合金原材料為2次真空自耗電弧爐熔煉的φ350mm鑄錠，屬Ti-V-Cr-Sn-A1-Nb-Zr系合金。將鑄錠在β相區經過多次鍛造成φ38mm的棒材。之后在950℃將其在小型軋機上按一道次80％的變形量軋制。沿軋向取樣，采用金相法測試其相變點為(790±5)℃，再分別將試樣在760、790和820℃同溶1h后空冷至室溫，隨后在460、490、510和530℃時效10h。

試樣熱處理后立即空冷。對試樣進行打磨、拋光，制作金相試樣。采用奧林巴斯PMG3臥式光學顯微鏡進行金相組織分析(OM)；JSM．6460型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。JEM．200GX型透射電鏡(TEM)進行組織、結構分析。拉伸試樣在Instron-1251萬能試驗機上進行力學性能測試。

2、實驗結果及討論

2.1 固溶態與時效態顯微組織

不同溫度固溶處理1h后的組織如圖1所示。可以看出，760℃固溶處理后再結晶不完全，β晶粒大小不一，見圖1(a)；790℃固溶后的組織均勻，見圖l(b)，平均晶粒尺寸為40μm，比820℃固溶處理的要細小，見圖l(c)。一般來說，β合金再結晶過程是一個晶界演變的過程。即彎曲的晶界逐漸平直化的過程。β合金再結晶完成后，可以得到細小等軸的晶粒。從熱力學角度看，晶粒長大，總的是晶界面積減少，能量降低的一個自發的過程。所以若繼續升高加熱溫度或延長加熱時間。將會引起晶粒的進一步長大[6]。

圖2為Ti-26合金經80％變形后再經790℃×1h同溶后、不同溫度時效10h后的顯微組織。鈦合金的晶粒度是由棒材的加工過程、變形量、固溶溫度和固溶時間決定的，而與時效溫度和時間沒有關聯。時效只決定析出相的種類和析出相的數量。所以圖2所示β晶粒度一致，并隨時效溫度的升高，析出α相逐漸增多，升溫至530℃時，相同的時效時間內析出的α相數量最多，已經遍布整個基體。

圖3為合金不同溫度時效后的TEM形貌。可看出。合金經460℃時效后析出的針狀僅相以120°夾角交錯析出，并隨時效溫度的升高沿徑向和法向生長，逐漸變粗變長，見圖3(b)、(c)。圃溶體中沉淀出的第二相，其形態除與自身的表面張力、相變動力學等有關外，還與第二相存在的位置有關。TEM圖中α相與母相β晶粒形成非共格界面，α相的形態取決于界面張力，如圖4所示。在平衡狀態下表面張力相等，即其值取決于α相沉淀后的形狀。

γ_ββ=2γ_αβcos(δ/2)

式中：γ_ββ為母相晶界上的界面張力；γ_αβ為母相與新相的界面張力；δ為二面角(或濕潤角)。

α相沉淀后的δ=120°，所以處于完全不濕潤狀態和全濕潤狀態的中間，即中間狀態。

2.2拉伸性能分析

圖5為Ti-26合金同溶后的托伸性能。可看出，合金經790℃×1h固溶處理后，在保證抗拉強度的情況下，伸長率和斷面收縮率都較為理想，即抗拉強度為825MPa。伸長率為22％，面縮為56％。所以確定790℃×1h為最佳固溶工藝。同溶后的合金具有良好的塑性．有利于變形。同時結合金相組織照片，發現晶粒尺寸與性能之間符合Hall—Perch公式。

該合金經不同溫度時效處理后的力學性能見圖6。可看出，隨時效溫度升高，強度下降，塑性提高。在460℃時效時，σ_b約為1500MPa，δ=6%，ψ≥10％；在530℃時效時，抗拉強度降為1100MPa，比固溶后的強度要高，面縮率為45％左右。原因在于，β鈦合金中最具有強化效應的是α相。析出α相高的強化效應賦予了β鈦合金最佳的比強度。α相的尺寸及體積比決定了時效后的最佳性能同。實際應用中，應該根據具體情況選擇合理的時效溫度，以節約資源，滿足需要。

2.3 斷裂特征

圖7為Ti-26合金的斷口組織形貌。一般來說。材料斷口處韌窩的深度主要受材料塑性變形能力的影響。材料的塑性變形能力大，韌窩深度大，反之韌窩深度小。圖7(a)、(c)為合金在同溶后的斷口形貌，有明顯的“頸縮”，其屬于韌性斷口，纖維區所占比例較大，有均勻分布的韌窩。圖7(b)、(d)為合金的時效態斷口，纖維區所占比例減小，韌窩較淺。斷口分析進一步說明，析出的僅相降低了合金的塑性．其中伸長率受到的影響最大。