热处理工艺对紧固件用高强钛合金棒材的组织和性能的影响

发布时间：2023-11-16 07:26:09 浏览次数：

紧同件用钛合金可分为两类：一类为α+β钛合金。常用的是美国Ti-6Al-4V、俄罗斯的BT16合金；另一种是β型钛合金，常用的有我国的TB3、TB2-1、美国的βc和βIII。

由于TC4钛合金抗托强度为1100MPa，剪切强度为655MPa，而且硬化能力有限，不适合制作更高强度或大直径紧同件使用。BT16合金退火状态下具有高塑性（δ=12％，ψ=50％)，同时保持了较高的强度(σ_b>815MPa)，但其强度和疲劳性能水平比Ti-6Al-4V、TB3要低一些。而采用β合金制造的冷镦铆钉性能优良，但其螺栓的综合水平要比两相钛合金的低。因此，研制更高强度钛合金已成为紧同件的发展趋势。美国于20世纪90年代开始研制超高强高强度紧固件用钛合金，Timetall25(Ti-6.0AI-6.2Mo-5.7Fe-2.7AI)替代镍基或铁基材料，如A-286、H-11或IN718合金。日本为了提高汽车的力学性能，采厢冷镦性能好的Ti-16V-4Sn-3A1-3Nb。主要用于汽车发动机上。

钛合金棒

Ti-26合金是西北有色金属研究院研制的一种亚稳B型紧同件用钛合金，具有良好的冷、热加工性能。同其他紧固件用钛合金相比，其同溶处理后具有良好的冷镦性能，并且固溶时效后性能可以达到σ_b≥1250MPa，δ₅≥10％，ψ≥30％，τ≥750MPa，可广泛地用于螺栓、铆钉等的制造[3]。

由于对该合金的热加丁性能与加T后的组织形态研究较少[4-5]，本文主要通过对Ti-26合金棒材经过一道次80％变形量的加工，研究了固溶时效对合金组织和性能的影响，并比较了其断口形貌变化。以研究合金的热变形特性，对该合金的加工工艺起指导作用。

1、实验材料及方法

所用Ti-26合金原材料为2次真空自耗电弧炉熔炼的φ350mm铸锭，属Ti-V-Cr-Sn-A1-Nb-Zr系合金。将铸锭在β相区经过多次锻造成φ38mm的棒材。之后在950℃将其在小型轧机上按一道次80％的变形量轧制。沿轧向取样，采用金相法测试其相变点为(790±5)℃，再分别将试样在760、790和820℃同溶1h后空冷至室温，随后在460、490、510和530℃时效10h。

试样热处理后立即空冷。对试样进行打磨、抛光，制作金相试样。采用奥林巴斯PMG3卧式光学显微镜进行金相组织分析(OM)；JSM．6460型扫描电子显微镜观察断口形貌。JEM．200GX型透射电镜(TEM)进行组织、结构分析。拉伸试样在Instron-1251万能试验机上进行力学性能测试。

2、实验结果及讨论

2.1 固溶态与时效态显微组织

不同温度固溶处理1h后的组织如图1所示。可以看出，760℃固溶处理后再结晶不完全，β晶粒大小不一，见图1(a)；790℃固溶后的组织均匀，见图l(b)，平均晶粒尺寸为40μm，比820℃固溶处理的要细小，见图l(c)。一般来说，β合金再结晶过程是一个晶界演变的过程。即弯曲的晶界逐渐平直化的过程。β合金再结晶完成后，可以得到细小等轴的晶粒。从热力学角度看，晶粒长大，总的是晶界面积减少，能量降低的一个自发的过程。所以若继续升高加热温度或延长加热时间。将会引起晶粒的进一步长大[6]。

图2为Ti-26合金经80％变形后再经790℃×1h同溶后、不同温度时效10h后的显微组织。钛合金的晶粒度是由棒材的加工过程、变形量、固溶温度和固溶时间决定的，而与时效温度和时间没有关联。时效只决定析出相的种类和析出相的数量。所以图2所示β晶粒度一致，并随时效温度的升高，析出α相逐渐增多，升温至530℃时，相同的时效时间内析出的α相数量最多，已经遍布整个基体。

图3为合金不同温度时效后的TEM形貌。可看出。合金经460℃时效后析出的针状仅相以120°夹角交错析出，并随时效温度的升高沿径向和法向生长，逐渐变粗变长，见图3(b)、(c)。圃溶体中沉淀出的第二相，其形态除与自身的表面张力、相变动力学等有关外，还与第二相存在的位置有关。TEM图中α相与母相β晶粒形成非共格界面，α相的形态取决于界面张力，如图4所示。在平衡状态下表面张力相等，即其值取决于α相沉淀后的形状。

γ_ββ=2γ_αβcos(δ/2)

式中：γ_ββ为母相晶界上的界面张力；γ_αβ为母相与新相的界面张力；δ为二面角(或湿润角)。

α相沉淀后的δ=120°，所以处于完全不湿润状态和全湿润状态的中间，即中间状态。

2.2拉伸性能分析

图5为Ti-26合金同溶后的托伸性能。可看出，合金经790℃×1h固溶处理后，在保证抗拉强度的情况下，伸长率和断面收缩率都较为理想，即抗拉强度为825MPa。伸长率为22％，面缩为56％。所以确定790℃×1h为最佳固溶工艺。同溶后的合金具有良好的塑性．有利于变形。同时结合金相组织照片，发现晶粒尺寸与性能之间符合Hall—Perch公式。

该合金经不同温度时效处理后的力学性能见图6。可看出，随时效温度升高，强度下降，塑性提高。在460℃时效时，σ_b约为1500MPa，δ=6%，ψ≥10％；在530℃时效时，抗拉强度降为1100MPa，比固溶后的强度要高，面缩率为45％左右。原因在于，β钛合金中最具有强化效应的是α相。析出α相高的强化效应赋予了β钛合金最佳的比强度。α相的尺寸及体积比决定了时效后的最佳性能同。实际应用中，应该根据具体情况选择合理的时效温度，以节约资源，满足需要。

2.3 断裂特征

图7为Ti-26合金的断口组织形貌。一般来说。材料断口处韧窝的深度主要受材料塑性变形能力的影响。材料的塑性变形能力大，韧窝深度大，反之韧窝深度小。图7(a)、(c)为合金在同溶后的断口形貌，有明显的“颈缩”，其属于韧性断口，纤维区所占比例较大，有均匀分布的韧窝。图7(b)、(d)为合金的时效态断口，纤维区所占比例减小，韧窝较浅。断口分析进一步说明，析出的仅相降低了合金的塑性．其中伸长率受到的影响最大。