随(sui)着(zhe)对飞机先(xian)进性(xing)要求(qiu)的(de)提高(gao)，对紧固件(jian)材(cai)料的(de)要(yao)求越来越高(gao)，高强(qiang)度、高减(jian)重(zhong)、耐(nai)腐蚀、无磁性(xing)、与(yu)复合材(cai)料(liao)相(xiang)容性好(hao)的(de)钛合金逐(zhu)渐(jian)成为先(xian)进(jin)飞(fei)机紧固(gu)件(jian)材料(liao)的(de)首要选择［1-4］。钛合金(jin)的(de)热处理方(fang)式通常(chang)包(bao)括(kuo)退火和固溶+时效处(chu)理(li)［5］，而固(gu)溶(rong)+时(shi)效(xiao)的(de)热处理方(fang)式(shi)是获得(de)高强(qiang)度紧(jin)固(gu)件的有效(xiao)措(cuo)施(shi)。TC4(Ti-6Al-4V)合金(jin)作(zuo)为(wei)双(shuang)相(xiang)钛(tai)合(he)金，由于(yu)其良好(hao)的综(zong)合(he)性能(neng)及工(gong)艺(yi)特性，成为(wei)钛(tai)工(gong)业中的王牌合金(jin)，被广泛地(di)应(ying)用于(yu)化(hua)工(gong)、电力(li)、航(hang)空航天、体(ti)育(yu)器械等(deng)领(ling)域(yu)［6］。TC4钛(tai)合(he)金(jin)经(jing)固溶+时效处理(li)后(hou)可(ke)以获得稳定(ding)的等(deng)轴(zhou)α相(xiang)、弥(mi)散(san)的(de)马(ma)氏(shi)体α'相和亚稳(wen)定(ding)β相(xiang)，而(er)等轴(zhou)α相使合金的综合力学性能(neng)得到(dao)提(ti)升(sheng)，弥散(san)的(de)马氏体(ti)α'相使(shi)合(he)金(jin)的(de)强度(du)、硬度(du)提(ti)高(gao)，塑(su)性韧性(xing)下(xia)降(jiang)［7］。棒(bang)材(cai)在(zai)固(gu)溶时效(xiao)过(guo)程中不(bu)同位(wei)置(zhi)的冷却(que)速(su)度(du)存在(zai)差异(yi)，而(er)冷(leng)却速度(du)是(shi)影响组织和(he)性(xing)能(neng)的主要因(yin)素之一(yi)［8］，因此，本(ben)文(wen)通(tong)过对航(hang)天用紧(jin)固(gu)件(jian)TC4钛合(he)金(jin)棒(bang)材(cai)进行固(gu)溶(rong)时(shi)效处理(li)，观(guan)察并(bing)检(jian)测(ce)试(shi)样边(bian)部至(zhi)心部的显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)、显微(wei)硬(ying)度和(he)室温(wen)拉(la)伸(shen)性能(neng)，探究冷却速度(du)对(dui)紧固(gu)件用(yong)TC4钛(tai)合(he)金(jin)组织与性(xing)能的影(ying)响(xiang)规律(lv)。
1、试(shi)验(yan)材料与(yu)方法(fa)
1.1试验(yan)材料(liao)
采(cai)用(yong)航(hang)天紧固件材料TC4钛合金φ25mm的(de)棒材作(zuo)为试验用料，该(gai)棒(bang)材(cai)经(jing)真空自(zi)耗熔(rong)炼(lian)、开坯、三(san)火锻(duan)造(zao)、两火轧(ya)制(zhi)制成(cheng)，其(qi)铸(zhu)锭(ding)化(hua)学成(cheng)分(fen)符(fu)合(he)GB/T3620.1-2016中(zhong)《钛及(ji)钛合金加工产品(pin)化(hua)学(xue)成分(fen)》的(de)要(yao)求，如表1所示(shi)。
1.2试验(yan)方(fang)法
将(jiang)直径(jing)为φ25mm，长(zhang)度为(wei)80mm的棒(bang)材(cai)于960℃装炉(lu)，待炉(lu)温(wen)升(sheng)至(zhi)960℃后保温(wen)1h，取(qu)出水冷(leng)，延迟(chi)淬(cui)火时(shi)间(jian)不(bu)超过(guo)5s，随后进行(xing)550℃保温(wen)8h的(de)时(shi)效处理(li)。取试(shi)样(yang)端(duan)部(L)和(he)中(zhong)部(L/2)处制(zhi)成(cheng)金相(xiang)试样(yang)，采用OLYMPICSPLAG3光(guang)学(xue)显微(wei)镜(jing)分别(bie)观察(cha)L和L/2处(chu)截面(mian)上(shang)边(bian)部至心(xin)部的显(xian)微组(zu)织(zhi)(见(jian)图(tu)1(a))，同(tong)时(shi)采(cai)用硬(ying)度(du)计检测L和L/2处截(jie)面(mian)上边部(bu)至(zhi)心部的显(xian)微(wei)硬(ying)度值(zhi)，检测(ce)位(wei)置见图(tu)1(b)，硬度(du)采用(yong)401MVD数(shu)显显(xian)微(wei)维(wei)氏(shi)硬度(du)计测(ce)量，荷载(zai)砝码(ma)为500g，保(bao)压时(shi)间为10s。
在同一支φ25mm棒材上连(lian)续(xu)取(qu)4支(zhi)80mm长的试样，其中(zhong)2支(zhi)试样(yang)在其中心纵向(xiang)掏(tao)出φ8mm的(de)棒(bang)材，剩余(yu)部(bu)分标(biao)记为3号、4号试(shi)样(yang)，剩(sheng)余(yu)2支试(shi)样(yang)标(biao)记为(wei)1号(hao)和2号(hao)(见图2)。同(tong)时(shi)采(cai)用960℃×1h，水冷+550℃×8h的热(re)处(chu)理制(zhi)度(du)对(dui)4支(zhi)试(shi)样进行固溶时效(xiao)处理，并检(jian)测其室(shi)温(wen)拉伸(shen)性能。
2、试验(yan)结果与讨论(lun)
2.1冷(leng)却(que)速度对(dui)显(xian)微组(zu)织(zhi)的影响(xiang)
对于大(da)多数(shu)钛合(he)金而(er)言，其(qi)力(li)学(xue)性能很(hen)大程(cheng)度(du)上取(qu)决于(yu)α相(xiang)的(de)含(han)量和(he)形态(tai)，其(qi)中在两相(xiang)区(qu)保温过(guo)程中(zhong)等轴α相能够(gou)对(dui)β相起(qi)到(dao)钉扎(zha)作(zuo)用(yong)，抑(yi)制(zhi)β相的(de)长(zhang)大，提高材料(liao)的(de)塑性和抗疲(pi)劳特(te)性;片(pian)状(zhuang)α相具有较(jiao)高(gao)的(de)强度(du)和(he)断裂韧性(xing)［8-10］;针(zhen)状(zhuang)α相(xiang)均匀(yun)地分(fen)布在(zai)β相基(ji)体(ti)上(shang)，能(neng)够起(qi)到弥(mi)散(san)强(qiang)化效果［11-13］。
试样(yang)端(duan)部(bu)(L)和(he)中(zhong)部(bu)(L/2)截(jie)面上(shang)的显(xian)微(wei)组织如(ru)图(tu)3所示(shi)，其(qi)中图(tu)3(a～c)是(shi)试(shi)样(yang)端部(L)截面(mian)上(shang)0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ处(chu)的(de)显微(wei)组(zu)织，图3(d～f)是试(shi)样中部(L/2)截(jie)面(mian)上(shang)0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ处(chu)的(de)显微组织。从(cong)图(tu)3可以(yi)看(kan)出(chu)，合金(jin)的组织(zhi)受(shou)冷却速度的影响(xiang)较明(ming)显(xian)。固溶时效后的(de)显(xian)微(wei)组织(zhi)为混(hun)合(he)组织(zhi)，包含稳定的等(deng)轴(zhou)α相、弥散(san)的(de)马(ma)氏(shi)体α'相和(he)亚(ya)稳(wen)定β相(xiang)［13］。初生α相含(han)量与(yu)固(gu)溶(rong)温度有关(guan)［11］，因(yin)此(ci)初生α相(xiang)含(han)量和(he)形态(tai)没有(you)明显(xian)差(cha)别(bie)，L截面(mian)在冷(leng)却过(guo)程(cheng)中与水(shui)接触，不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)的(de)冷(leng)却(que)速度相(xiang)差(cha)不大(da)，次生(sheng)α相(xiang)的形(xing)态(tai)和(he)含量(liang)没有(you)明显差异［14］;L/2截(jie)面(mian)上边部至(zhi)心(xin)部(bu)的(de)冷却速(su)度(du)逐(zhu)渐减(jian)小(xiao)，而冷(leng)却速(su)度直接(jie)决(jue)定次(ci)生(sheng)α相的(de)片层(ceng)厚(hou)度，在组(zu)织(zhi)上(shang)表现(xian)为次(ci)生(sheng)α相含(han)量增多，同时(shi)次生(sheng)α相(xiang)片(pian)层(ceng)厚(hou)度(du)逐渐(jian)增(zeng)大并趋于(yu)等(deng)轴化(hua)，见(jian)图(tu)3(d～f);对(dui)比(bi)L截(jie)面与(yu)L/2截(jie)面(mian)也(ye)可(ke)发现(xian)图3(a～d)的(de)组(zu)织(zhi)形(xing)态类(lei)似(shi)，但(dan)图(tu)3(e，f)组(zu)织(zhi)中(zhong)初生(sheng)α相(xiang)含量少于边(bian)部组(zu)织。
2.2冷(leng)却速(su)度(du)对硬(ying)度(du)的(de)影响(xiang)
试样(yang)L和L/2截面(mian)上边(bian)部(bu)至心(xin)部的显(xian)微(wei)硬(ying)度值如(ru)图(tu)4所示(shi)。从(cong)图(tu)4可以(yi)看出，L截(jie)面因(yin)冷(leng)却(que)速(su)度(du)相差不大(da)所(suo)以显微(wei)硬度值(zhi)没(mei)有明(ming)显(xian)区(qu)别(bie)，L/2截面上由试(shi)样(yang)边(bian)部至(zhi)心(xin)部的(de)显(xian)微(wei)硬度(du)值(zhi)呈(cheng)总体下降趋势(shi)，同(tong)时L/2截(jie)面(mian)上(shang)边部的显(xian)微硬(ying)度值与L截面相(xiang)差(cha)不大(da)，此(ci)结果与理论(lun)相(xiang)符(fu)合(he)［15-16］。
2.3冷(leng)却(que)速度对(dui)室(shi)温(wen)拉伸性(xing)能的(de)影响(xiang)
4支试(shi)样的(de)室温拉(la)伸性能见表2，从表2可(ke)以(yi)看出，4支试(shi)样的(de)伸(shen)长率(lv)均(jun)符(fu)合(he)GJB2219-1994《紧(jin)固(gu)件用钛(tai)合(he)金棒(线)材规范(fan)》要(yao)求(qiu)，3、4号试(shi)样(yang)的(de)抗拉(la)强度(du)和(he)规定塑(su)性(xing)延伸(shen)强(qiang)度明显高于1、2号试样，且符合标(biao)准要求(qiu)，这(zhe)是因为1、2号试(shi)样的心(xin)部在(zai)固溶时效(xiao)时(shi)冷(leng)却缓慢(man)，而(er)3、4号试样(yang)是(shi)在去(qu)掉(diao)心(xin)部后(hou)直接(jie)进(jin)行(xing)固溶时效(xiao)处(chu)理(li)，能得(de)到(dao)充(chong)分的加热从而保(bao)留较多的(de)初(chu)生(sheng)α相(xiang)，同时冷速较(jiao)快使等(deng)轴状(zhuang)次(ci)生α相含(han)量减少，这(zhe)种(zhong)有较多(duo)初(chu)生α相和(he)较少次(ci)生(sheng)α相(xiang)的双(shuang)态组织(zhi)会(hui)使合金的(de)强(qiang)度(du)升(sheng)高(gao)，塑性降低。
通(tong)过(guo)4支(zhi)试(shi)样的(de)室温拉(la)伸性能比较，可以(yi)认为固溶时(shi)效(xiao)过程中的(de)冷却(que)速(su)度(du)通过影响初生(sheng)α相(xiang)的含(han)量以(yi)及次(ci)生(sheng)α相含(han)量(liang)和形(xing)态从(cong)而影响试(shi)样的室(shi)温拉(la)伸性能。
3、结论
1)TC4钛合(he)金棒(bang)材经(jing)固溶时效处理(li)后心部(bu)和(he)表(biao)面的组织(zhi)与(yu)性(xing)能(neng)受(shou)冷却(que)速度的(de)影(ying)响呈(cheng)现显著差异(yi)。
2)TC4钛合金棒材(cai)固(gu)溶时效(xiao)后(hou)的(de)显(xian)微组织由(you)稳(wen)定的等轴(zhou)α相、弥(mi)散(san)的马(ma)氏(shi)体α'相(xiang)和亚(ya)稳定β相组(zu)成(cheng)，试样(yang)端面(mian)上次(ci)生α相的形(xing)态(tai)和含量(liang)没(mei)有明显差异(yi);中(zhong)部(bu)截(jie)面上边部至(zhi)心部的次(ci)生(sheng)α相含量逐渐增(zeng)多，同时次(ci)生(sheng)α相(xiang)片层(ceng)厚度逐渐增大(da)并趋于(yu)等轴(zhou)化(hua);对(dui)比(bi)端部(bu)与中(zhong)部(bu)截(jie)面(mian)边部(bu)初生α相(xiang)含量(liang)和形态没(mei)有明显差(cha)异。
3)TC4钛合(he)金(jin)棒(bang)材端(duan)面(mian)上(shang)显微硬度值(zhi)没有明显差异，但中部截(jie)面上(shang)由(you)边部至心(xin)部的显(xian)微硬度值(zhi)呈总(zong)体降低趋(qu)势(shi)，且中部截(jie)面上边部(bu)的(de)显微(wei)硬(ying)度(du)值与端(duan)面(mian)相(xiang)差不(bu)大(da)。
4)TC4钛(tai)合金(jin)棒材(cai)心部(bu)因固溶(rong)过(guo)程中(zhong)冷却缓慢(man)，棒材(cai)整(zheng)体(ti)试(shi)样的(de)室(shi)温拉伸性(xing)能不(bu)符合标准，且明(ming)显低(di)于(yu)去(qu)除(chu)心(xin)部(bu)的(de)试样(yang)。
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相(xiang)关链(lian)接(jie)
