滕玉光 郭慧敏 徐鹏
沈阳黎明航空零部件制造有限公司,辽宁 沈阳 110043
摘要：文章主要是研究和分析了TB3钛合金紧固件冷镦成型前的固溶处理以及冷镦后失效处理的过程中的组织和性能的主要变化，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。
关键字：TB3钛合金；固液强化；时效处理；纤维组织；力学性能
1、前言
钛合金具有了许多的优势，已被广泛应用到我国航空航天领域当中。文章主要是研究了固液、失效处理对TB3钛合金冷镦成型紧固件组织预计性能所造成的影响，望能为TB3钛合金冷镦紧固件的生产提供到一定的参考。
2、试验材料与方法
TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3．5Al）钛合金是一种亚稳定β型钛合金，室温抗拉强度Ｒm在840～940MPa之间，断后伸长率A大于15%，断面收缩率Z大于60%，固溶处理后具有良好的冷加工性能，是加工制造钛合金紧固件的常用材料。用于生产钛合金紧固件的TB3钛合金棒材一为轧制棒材，供货态多为不完全退火态，硬度较高，且塑性较差，因此需要进行固溶处理提高TB3钛合金的成形性能，并在冷镦成形之后，应对半成品紧固件进行时效强化处理，稳定组织，提高紧固件的强度。试验材料选用TB3钛合金，经3次真空自耗熔炼得到铸锭，铸锭经过开坯、锻造、轧制、拉拔以及去应力退火制备而成，其主要化学成分固溶和时效处理在箱式电阻炉中进行，试样为12mm长的短棒，为保证试样不被氧化及吸氢，试样采用真空封管。显微组织采用LeicaDM6000显微镜观察，拉伸断口形貌采用SUPＲA55场发射扫描电镜进行观察，力学性能在MTS810材料试验机上进行。
3、试验结果与分析
3.1、固溶处理对TB3钛合金组织与力学性能的影响
TB3钛合金属于亚稳β钛合金，固溶状态下具有良好的塑性，而且固溶处理可以有效的使材料内部组织均匀化，消除残余应力，因此在TB3钛合金冷镦成形之前，需进行固溶处理。固溶温度是固溶处理中最重要的工艺参数，因此选取固溶温度作为变量，对固溶后的TB3钛合金进行性能测试，研究TB3钛合金最佳的固溶工艺，以便实现下一步冷镦成形。固溶温度一般选取相变点以上40～80℃，经测得试验TB3钛合金的相变温度为755℃，因此选取740、760、780、800、820、840℃作为TB3钛合金的固溶温度进行试验，保温时间统一设定为30min，保温后空冷。经不同温度保温30min固溶处理后的TB3钛合金显微组织如图1所示。当固溶温度为740、760时，组织为等轴β晶粒基体，其中弥散分布着α相，晶粒大小比较均匀，约为34．6μm；随着固溶温度的升高，α相逐渐回溶到基体中，弥散强化作用逐渐降低；当固溶温度达到820℃时，材料内部基本为单相等轴β晶粒，材料强度下降，塑性提高；当固溶温度达到840℃时，晶界开始逐渐消失，晶粒出现明显的长大现象上述结果表明，在820℃左右温度下进行固溶处理可以有效地均匀组织，有利于实现TB3钛合金的后续冷镦变形。经过不同固溶温度保温30min处理后的TB3钛合金的室温拉伸性能。随着固溶温度的提高，材料的抗拉强度Ｒm和规定塑性延伸强度Ｒp0．2呈下降趋势，断面收缩率Z呈现上升趋势，而断后伸长率A呈现先上升再下降的趋势。随着固溶温度提高，TB3钛合金的组织转变程度加大，β相的组分含量提高，TB3钛合金中相β呈体心立方结构，滑移系比较多，因此，在常温下更容易发生塑性变形。当固溶温度超过820℃时，材料的强度不再有明显变化，但是由于晶粒长大作用，塑性开始出现下降趋势，不利于接下来的冷镦成形。
3.2、冷镦成形
综合上述微观组织分析和力学性能测试结果，选取820℃保温30min后空冷作为TB3钛合金的固溶处理工艺。经此固溶工艺处理后的TB3钛合金的抗拉强度Ｒm为914MPa，规定塑性延伸强度Ｒp0．2为906MPa，断面收缩率Z为58%，断后伸长率A为26．5%，较低的强度和较好的塑性有利于紧固件的冷镦成形，而且因为屈强比高达0．99，材料冷成型后回弹小，冷镦紧固件具有较好的尺寸稳定性。为了验证固溶处理工艺的合理性，对M5×15TB3钛合金内六角螺钉进行冷镦成形，通过上文所述热处理工艺对坯料进行预处理后，直接冷镦成形。
3.3、时效处理对TB3钛合金硬度与组织的影响
TB3钛合金在固溶处理之后组织内存在过饱和的固溶体，经过冷镦后，过饱和的β相依然存在，试制的紧固件的抗拉强度不超过930MPa，表面显微硬度不高于260HV0．5，达不到钛合金紧固件标准中抗拉强度1100MPa的要求，此还需对试制的紧固件进行时效强化处理，以提高固件的强度和表面硬度。本文分析了时效温度和时效时间对TB3钛合金组织和性能的影响。选取500、550、600、650℃作为时效温度，分别保温15、60、120、300、600、1200min之后空冷，测试不同时效强化处理后TB3钛合金紧固件的表面显微硬度，当时效温度在500℃时，紧固件硬度随时效时间延长而增加，时效0～120min后硬度增加明显，300min之后，随时效时间延长硬度增加缓慢，硬化效率逐渐变差；当时效温度为550℃时，紧固件硬度呈现出先上升再下降的趋势，并在时效600min后硬度达到峰值；时效温度超过600℃时，紧固件的表面显微硬度随着时效时间的延长也呈现先上升后下降的趋势，当时效时间达到300min时，显微硬度达到峰值，继续延长时效时间时，紧固件的硬度开始下降，出现过时效现象，将影响紧固件的使用性能。TB3钛合金紧固件不同温度下时效300min后的显微组织。在时效温度不高于600℃时，组织中存在大量板条状的初生α相，该相的出现使得材料的强度提高，但是塑性下降。随着时效温度的升高，初生α相含量逐渐降低，当时效温度达到650℃时，组织为近似单相的β组织，在β相晶粒内部，弥散分布着着时效过程中析出的次生α相，这种组织在室温下非常稳定，且使材料具有良好的强韧性配合。
3.4、TB3钛合金紧固件试制及性能测试
综合不同工艺固溶处理及时效处理后TB3钛合金的显微组织与力学性能可以确定，采用820℃保温30min空冷固溶处理+冷镦成形+650℃保温300min空冷时效的工艺路线用于TB3钛合金紧固件的生产是合理的。采用该工艺试制一批TB3钛合金M5×15内六角螺钉，并测试其力学性能。经测试可知，采用该工艺试制的TB3钛合金紧固件的室温抗拉强度达到1238．2MPa，断后伸长率达到6%，且拉伸过程中载荷变化平稳，满足紧固件的技术要求。采用扫描电镜对紧固件拉伸断口形貌进行观察，分析拉伸断口形貌可知，断口表面主要由大小不均的韧窝和少量撕裂棱组成，属于韧窝和部分准解理型断裂，其中韧窝占据较大部分，而且韧窝大小和分布都比较均匀，表明该紧固件具有较好的塑性。
4、结束语
由上可知，TB3钛合金紧固件合理的热处理工艺能够分成两步，即冷镦成型前固溶处理和冷镦后失效处理。采用到试验固溶处理工艺实质的冷镦成型TB3钛合金紧固件内部的组织均匀且其的纤维结构合理，能够满足到当前钛合金紧固件技术的需求。
参考文献
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