航空航天緊固件用TC16鈦合金棒鍛造軋制熱加工過程的組織演變

前言

TC16鈦合金屬于Ti-Al-Mo-V 系α+β型高強鈦合金，該合金主要在熱處理強化狀態下使用，其室溫拉伸強度極限都在1100MPa 以上，并且TC16在淬火狀態下具有良好的塑性，通過強化熱處理可獲得較高的強度，特別適合制作性能優異的緊固件，已廣泛應用于航空航天領域。

近年來，我國航空航天工業迅速發展，國內各大院所也在基礎材料與緊固件制造技術方面加強研發力度，并且在我國的改型飛機和新設計的飛機中得到大量應用。因此，有必要分析研究TC16鈦合金棒材生產工藝，明確各工藝參數對產品質量的影響規律，并加以嚴格控制以改進產品質量，擴大應用。

本文將主要分析研究在棒材生產過程中，鍛造、軋制等熱加工工序中TC16鈦合金的組織演變過程。

1、試驗材料

本實驗所用材料為TC16鈦合金1000Kg 鑄錠，該鑄錠經過三次真空自耗電弧爐熔煉，其規格為?450mm×1400mm。材料的化學成分見表1。

通過金相分析法測得試驗鑄錠的相變點為860℃～865℃。

2、工藝流程

TC16鈦合金?6mm棒材工藝流程：

原料準備→配混料→壓制電極→三次真空自耗熔煉→鑄錠化學成分檢測→鍛造→軋制→退火→檢驗

3、熱加工工藝及加工過程的組織演變

根據上述工藝流程，本文主要分析棒材在鍛造及軋制加工過程的組織演變。

3.1 鍛造

為了解決加熱過程中鈦合金導熱率低導致的橫向溫差大和高溫下吸氣嚴重的問題，并考慮到鈦合金的導熱率隨著溫度的提高而增加的特點，我們采用分段式電爐加熱。

為獲得晶界α相充分破碎的組織，加熱溫度的選擇原則應該是能夠保證熱變形在β區開始并在兩相區結束，即加熱溫度應在Tβ以上，但不宜過高，溫度過高變形可能在β區結束，將導致晶界α相無法充分破碎。

綜上所述，制定的TC16鍛造加熱工藝如圖1所示。

實踐表明，變形的兩相合金，其組織形成的過程可以分為兩個幾乎是意義等同的階段：在變形影響下的組織形成和由于變形后冷卻的結果產生的組織形成[5]。

圖2 為TC16鍛至□ 100mm 水冷后的顯微組織。

TC16鈦合金緊固件最終產品的顯微組織要求是：晶粒細小、組織均勻性好、晶界α相充分破碎、晶內α片細小的組織。變形量的控制方面，如果變形量過大（≥70%），片狀組織將發生球化并容易因變形熱過大導致組織不均勻；變形量過小（≤30%）則難以保證組織充分細化。

從圖2 我們可以看出，坯料在熱變形后，由于在變形溫度冷至β→α轉變開始的溫度過程中，α+β合金中不能防止α相的析出，β相晶粒尺寸的增長受到急劇抑止。冷卻時析出的晶內α相為片狀組織，且區別于再結晶的β相晶粒內的α相組織，其特點是α群或α片的形狀有一定程度的拉長，同時析出的α相的結構較為彌散。在低于Tβ溫度內，冷卻速度的改變主要對析出的α相質點數量和彌散度有影響，增加冷卻速度β相晶粒周圍的α鑲邊更細，晶內結構更加細化，但組織的特征不發生改變。為后期熱處理效果考慮，鍛后水冷能保留金屬變形產生的大量晶體缺陷，而這些晶體缺陷在隨后的熱處理過程中，不僅成為形核的場所，而且缺陷所儲存的畸變能為元素擴散提供了激活能。介于此，TC16鍛造后的冷卻方式采用水冷。

3.2 軋制

根據鍛造加熱方式的分析和選擇原則，鈦及鈦合金在軋制時應該采用電爐加熱。同時考慮到變形熱的影響，坯料在軋制時會存在一定的溫升，彌補或提高了軋條的溫度，因此開軋溫度的設定不能過高，過高有可能會導致產品過熱出現魏氏組織。

在本次試驗中，我們選擇在α+β相區加熱，溫度控制在相變點Tβ以下50℃～150℃。

圖3 為TC16軋制時的加熱工藝。

軋制試驗的變形量的設定根據是否能夠實現工業生產的原則，兩火次軋制變形工藝分別為□100mm→?50mm，?50mm→?7.8mm。在兩相區變形時，晶內α片以及沿晶界α鑲邊的形狀的變化決定于它相對于金屬流動方向的初始取向：垂直于金屬流向的α片變形最大，平行于該方向的α片拉長、壓扁，其它位向的片被彎曲。隨著變形量的增加，所有的α片試圖與金屬流向一致分布。通常變形量超過50%時，原始β晶粒的α鑲邊基本上與晶內變形的α片形狀相同，很難區分。因此，生產實踐中，有明顯可見的α鑲邊的顯微組織，我們可以認為是變形量不足的表征。

圖4 為不同規格軋條顯微組織情況。

通過圖4，我們能夠清楚的發現坯料經過軋制后的顯微組織中的α片狀結構被變形切割成單個質點（球），從圖4 中可以看出切割后的每一個質點的形狀和尺寸不是完全相同，且組織致密均勻分布，粗略估量軋制成品規格?7.8mm 的晶粒大小在2μm～3μm，基本多邊化。

4、結論

(1) β相區加熱鍛造時采用分段式加熱，加熱溫度應在Tβ以上，但不宜過高。

(2)控制β相區鍛造變形量及鍛后水冷等工藝要素能夠獲得彌散分布的細小α片組織。

(3)兩相區軋制時加熱溫度控制在相變點Tβ以下50℃～150℃，采用□100mm→?50mm，?50mm→?7.8mm 的變形過程，能夠進一步細化顯微組織，并使其球化。

參考文獻

[1] 王金友, 葛志明, 周彥邦. 航空用鈦合金[ M] . 上海: 上海科學出版社, 1985: 168

[2] Ferrero J, Hutt A, Sweet S. In: Lutjering G, Albrecht Jeds.Ti-2003 Science and Technology[C]. Hamburg:DGM, 2004:385

[3] 沙愛學，王慶如，李興無. BT16 鈦合金緊固件加工工藝分析[J]. 稀有金屬材料與工程，2006,35（3）:455-458

[4] 王俊，王玉玲. BT16 鈦合金滲氫壓縮試樣中的剪切帶[J]. 航空學報，30（11）:2200-2206