隨著對飛機先進性要求的提高，對緊固件材料的要求越來越高，高強度、高減重、耐腐蝕、無磁性、與復(fù)合材料相容性好的鈦合金逐漸成為先進飛機緊固件材料的首要選擇［1-4］。鈦合金的熱處理方式通常包括退火和固溶+時效處理［5］，而固溶+時效的熱處理方式是獲得高強度緊固件的有效措施。TC4(Ti-6Al-4V)合金作為雙相鈦合金，由于其良好的綜合性能及工藝特性，成為鈦工業(yè)中的王牌合金，被廣泛地應(yīng)用于化工、電力、航空航天、體育器械等領(lǐng)域［6］。TC4鈦合金經(jīng)固溶+時效處理后可以獲得穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相，而等軸α相使合金的綜合力學(xué)性能得到提升，彌散的馬氏體α'相使合金的強度、硬度提高，塑性韌性下降［7］。棒材在固溶時效過程中不同位置的冷卻速度存在差異，而冷卻速度是影響組織和性能的主要因素之一［8］，因此，本文通過對航天用緊固件TC4鈦合金棒材進行固溶時效處理，觀察并檢測試樣邊部至心部的顯微組織、顯微硬度和室溫拉伸性能，探究冷卻速度對緊固件用TC4鈦合金組織與性能的影響規(guī)律。
1、試驗材料與方法
1.1試驗材料
采用航天緊固件材料TC4鈦合金φ25mm的棒材作為試驗用料，該棒材經(jīng)真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制制成，其鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620.1-2016中《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分》的要求，如表1所示。
1.2試驗方法
將直徑為φ25mm，長度為80mm的棒材于960℃裝爐，待爐溫升至960℃后保溫1h，取出水冷，延遲淬火時間不超過5s，隨后進行550℃保溫8h的時效處理。取試樣端部(L)和中部(L/2)處制成金相試樣，采用OLYMPICSPLAG3光學(xué)顯微鏡分別觀察L和L/2處截面上邊部至心部的顯微組織(見圖1(a))，同時采用硬度計檢測L和L/2處截面上邊部至心部的顯微硬度值，檢測位置見圖1(b)，硬度采用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計測量，荷載砝碼為500g，保壓時間為10s。
在同一支φ25mm棒材上連續(xù)取4支80mm長的試樣，其中2支試樣在其中心縱向掏出φ8mm的棒材，剩余部分標(biāo)記為3號、4號試樣，剩余2支試樣標(biāo)記為1號和2號(見圖2)。同時采用960℃×1h，水冷+550℃×8h的熱處理制度對4支試樣進行固溶時效處理，并檢測其室溫拉伸性能。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1冷卻速度對顯微組織的影響
對于大多數(shù)鈦合金而言，其力學(xué)性能很大程度上取決于α相的含量和形態(tài)，其中在兩相區(qū)保溫過程中等軸α相能夠?qū)Ζ孪嗥鸬结斣饔茫种痞孪嗟拈L大，提高材料的塑性和抗疲勞特性;片狀α相具有較高的強度和斷裂韌性［8-10］;針狀α相均勻地分布在β相基體上，能夠起到彌散強化效果［11-13］。
試樣端部(L)和中部(L/2)截面上的顯微組織如圖3所示，其中圖3(a～c)是試樣端部(L)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織，圖3(d～f)是試樣中部(L/2)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織。從圖3可以看出，合金的組織受冷卻速度的影響較明顯。固溶時效后的顯微組織為混合組織，包含穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相［13］。初生α相含量與固溶溫度有關(guān)［11］，因此初生α相含量和形態(tài)沒有明顯差別，L截面在冷卻過程中與水接觸，不同位置的冷卻速度相差不大，次生α相的形態(tài)和含量沒有明顯差異［14］;L/2截面上邊部至心部的冷卻速度逐漸減小，而冷卻速度直接決定次生α相的片層厚度，在組織上表現(xiàn)為次生α相含量增多，同時次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化，見圖3(d～f);對比L截面與L/2截面也可發(fā)現(xiàn)圖3(a～d)的組織形態(tài)類似，但圖3(e，f)組織中初生α相含量少于邊部組織。
2.2冷卻速度對硬度的影響
試樣L和L/2截面上邊部至心部的顯微硬度值如圖4所示。從圖4可以看出，L截面因冷卻速度相差不大所以顯微硬度值沒有明顯區(qū)別，L/2截面上由試樣邊部至心部的顯微硬度值呈總體下降趨勢，同時L/2截面上邊部的顯微硬度值與L截面相差不大，此結(jié)果與理論相符合［15-16］。
2.3冷卻速度對室溫拉伸性能的影響
4支試樣的室溫拉伸性能見表2，從表2可以看出，4支試樣的伸長率均符合GJB2219-1994《緊固件用鈦合金棒(線)材規(guī)范》要求，3、4號試樣的抗拉強度和規(guī)定塑性延伸強度明顯高于1、2號試樣，且符合標(biāo)準要求，這是因為1、2號試樣的心部在固溶時效時冷卻緩慢，而3、4號試樣是在去掉心部后直接進行固溶時效處理，能得到充分的加熱從而保留較多的初生α相，同時冷速較快使等軸狀次生α相含量減少，這種有較多初生α相和較少次生α相的雙態(tài)組織會使合金的強度升高，塑性降低。
通過4支試樣的室溫拉伸性能比較，可以認為固溶時效過程中的冷卻速度通過影響初生α相的含量以及次生α相含量和形態(tài)從而影響試樣的室溫拉伸性能。
3、結(jié)論
1)TC4鈦合金棒材經(jīng)固溶時效處理后心部和表面的組織與性能受冷卻速度的影響呈現(xiàn)顯著差異。
2)TC4鈦合金棒材固溶時效后的顯微組織由穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相組成，試樣端面上次生α相的形態(tài)和含量沒有明顯差異;中部截面上邊部至心部的次生α相含量逐漸增多，同時次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化;對比端部與中部截面邊部初生α相含量和形態(tài)沒有明顯差異。
3)TC4鈦合金棒材端面上顯微硬度值沒有明顯差異，但中部截面上由邊部至心部的顯微硬度值呈總體降低趨勢，且中部截面上邊部的顯微硬度值與端面相差不大。
4)TC4鈦合金棒材心部因固溶過程中冷卻緩慢，棒材整體試樣的室溫拉伸性能不符合標(biāo)準，且明顯低于去除心部的試樣。
參考文獻:
［1］趙永慶，辛社偉，陳永楠，等． 新型合金材料-鈦合金［M］． 北京:中國鐵道出版社，2017．
［2］吳全興． 鈦合金在航空產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及加工方法［J］． 鈦工業(yè)進展，2013，30(3): 42-43．
［3］董瑞峰，李金山，唐斌，等． 航空緊固件用鈦合金材料發(fā)展現(xiàn)狀［J］． 航空制造技術(shù)，2018，61(4): 86-91．
Dong Ｒuifeng，Li Jinshan，Tang Bin，et al． Development status of titanium alloy materials for aviation fasteners ［J］．Aeronautical anufacturing Technology，2018，61(4): 86-91．
［4］張慶玲，王慶如，李興無． 航空用鈦合金緊固件選材分析［J］． 材料工程，2007(1): 11-14．
Zhang Qingling，Wang Qingru，Li Xingwu． Material selection analysis of titanium alloy fasteners for aviation［J］． Materials Engineering，2007 (1): 11-14．
［5］張樹啟． 緊固件用高強度鈦合金的發(fā)展［J］． 鈦工業(yè)進展，1998(5): 1-3．
［6］李蒙，鳳偉中，關(guān)蕾，等． 航空航天緊固件用鈦合金材料綜述［J］． 有色金屬材料與工程，2018，39(4): 50-53．
Li Meng，F(xiàn)eng Weizhong，Guan Lei，et al． Ｒeview on titanium alloy materials for aerospace fasteners［J］． Nonferrous Metals Materials and Engineering，2018，39(4): 50-53．
［7］鄒海貝． TC4 鈦合金熱處理強化工藝及相變行為研究［D］． 秦皇島: 燕山大學(xué)，2019．
Zou Haibei．Study on heat treatment enhancement and phase transformation behavior of titanium alloy［D］． Qinhuangdao: Yanshan University，2019．
［8］欽蘭云，李明東，楊光，等． 熱處理對激光沉積 TC4 鈦合金組織與力學(xué)性能的影響［J］． 稀有金屬，2018(7): 698-704．
Qin Lanyun，Li Mingdong，Yang Guang，et al． Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of laser deposited TC4 titanium alloy［J］． Ｒare Metals，2018(7): 698-704．
［9］鄭超． 微觀組織對 Ti-6Al-4V 鈦合金動態(tài)力學(xué)性能和抗彈性能影響規(guī)律的研究［D］． 北京: 北京理工大學(xué)，2015．
Zheng Chao． Effect of microstructure on dynamic mechanical properties and elastic properties of Ti-6Al-4V titanium alloy［D］． Beijing: Beijing Institute of Technology，2015．
［10］夏麒帆，梁益龍，楊春林，等． TC4 鈦合金拉伸變形行為的研究［J］． 稀有金屬，2019(7): 765-773．
Xia Qifan，Liang Yilong，Yang Chunlin，et al．Study on tensile deformation behavior of TC4 titanium alloy［J］． Ｒare Metals，2019 (7): 765-773．
［11］孟憲偉，趙錦秀，程建雄，等． TC4 鈦合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及進展［J］． 裝備制造與教育，2019(3): 28-30．
Meng Xianwei，Zhao Jinxiu，Cheng Jianxiong，et al． Ｒesearch status and development of heat treatment process of TC4 titanium alloy［J］．Equipment Manufacturing and Education，2019(3): 28-30．
［12］Yang Shun，Li Hong，Luo Jiao，et al． Prediction model for flow stress during isothermal compression in α + β phase field of TC4 alloy［J］．Ｒare Metals，2018(5): 369-375．
［13］劉繼雄，楊奇，郭志軍，等． 熱等靜壓處理后 TC4 鈦合金中等軸 α 相特征及其對拉伸性能的影響［J］． 機械工程材料，2015(5): 10-12．
Liu Jixiong，Yang Qi，Guo Zhijun，et al．Effects of hot isostaticpressing on tensile properties of TC4 titanium alloy［J］． Materials forMechanical Engineering，2015(5): 10-12．
［14］辛社偉，趙永慶． 關(guān)于鈦合金熱處理和析出相的討論［J］． 金屬熱處理，2006，31(9): 39-42．
Xin Shewei， Zhao Yongqing．Discussion on heat treatment andprecipitates of titanium alloy［J］． Heat Treatment of Metals，2006，31(9): 39-42．
［15］紀小虎，李萍，時迎賓，等． TA15 鈦合金等溫多向鍛造晶粒細化機理與力學(xué)性能［J］． 中國有色金屬學(xué)報，2019，29(11): 2516-2522．
Ji Xiaohu，Li Ping，Shi Yingbin，et al． Grain refinement mechanismand mechanical properties of TA15 titanium alloy by isothermalmultidirectional forging ［J］．The Chinese Journal of NonferrousMetals，2019，29(11): 2516-2522．
［16］丁燦，汪常亮，李峰，等． 固溶-冷速-時效對 TC4-DT 合金顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］． 稀有金屬材料與工程，2020，49(3): 963-967．
Ding Can，Wang Changliang，Li Feng，et al． Effect of solution-coolingrate-aging on microstructure and mechanical properties of TC4-DT alloy［J］． Ｒare Metal Materials and Engineering，2020，49(3): 963-967．
相關(guān)鏈接
