钛合(he)金(jin)作(zuo)为一(yi)种(zhong)新(xin)兴(xing)结构(gou)材(cai)料，因(yin)其(qi)具有高(gao)的(de)比强(qiang)度(du)、耐(nai)腐(fu)蚀性、耐(nai)高温性(xing)，被(bei)广泛应用于(yu)航(hang)空航(hang)天(tian)等(deng)高(gao)端工(gong)业领(ling)域(yu)［1］。近年(nian)来，随着我国航空航天事(shi)业(ye)的(de)快(kuai)速(su)发展及航空(kong)航(hang)天制造技(ji)术水(shui)平的(de)整(zheng)体提升，对紧(jin)固件用钛合(he)金(jin)材料的需求量越(yue)来越(yue)大(da)，钛合金(jin)紧(jin)固件(jian)代替(ti)大(da)部分(fen)比(bi)强度(du)低(di)的钢制(zhi)紧固(gu)件(jian)后(hou)，对(dui)飞(fei)行(xing)器的减重效果非(fei)常显著(zhu)，目(mu)前(qian)我国自主研(yan)发的钛(tai)合金紧固件(jian)已在(zai)重要领域(yu)获得了(le)大(da)量的工(gong)程应用［2-3］。因此(ci)，强(qiang)度高(gao)、稳(wen)定性好的钛(tai)合金紧(jin)固件在当(dang)前形(xing)势(shi)下(xia)有着巨(ju)大的(de)市(shi)场空(kong)间(jian)［4］。
TC4钛合金具(ju)有良(liang)好的力(li)学(xue)性(xing)能和(he)工艺性能，被广泛(fan)用(yong)来(lai)制(zhi)造各(ge)种航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)用棒(bang)丝(si)材，同时由于(yu)该材(cai)料具有(you)高(gao)比(bi)强(qiang)度(du)和(he)与复(fu)合材料电(dian)位(wei)特性(xing)相(xiang)近的(de)特点，已经逐(zhu)步(bu)替代(dai)钢(gang)材料和镍(nie)基(ji)材(cai)料，在航(hang)空(kong)航(hang)天紧固(gu)件领(ling)域(yu)获(huo)得了(le)广(guang)泛(fan)应(ying)用［5-6］。随着TC4钛合金加工(gong)紧固件(jian)用(yong)途(tu)的(de)不断拓(tuo)宽(kuan)，一(yi)些国(guo)内外(wai)的(de)航空(kong)公司(si)对其(qi)提(ti)出(chu)了力(li)学(xue)性(xing)能(neng)要(yao)求［7］，而(er)这一要求(qiu)需(xu)采用(yong)固(gu)溶(rong)时效(xiao)工(gong)艺来满足(zu)，固溶(rong)时(shi)效(xiao)处(chu)理(li)可(ke)以(yi)提高合(he)金的强(qiang)度、塑(su)性等力(li)学(xue)性(xing)能(neng)，从而发挥(hui)其(qi)综(zong)合(he)优越性(xing)［8］。TC4钛(tai)合金(jin)属(shu)于(yu)典(dian)型(xing)的双(shuang)相(xiang)热(re)强(qiang)钛合(he)金，其(qi)力学(xue)性能在很大(da)程(cheng)度上(shang)取决(jue)于微(wei)观组织，而TC4钛(tai)合(he)金的(de)相(xiang)结构(α相(xiang)、β相(xiang)、α'相、α″相(xiang)以(yi)及ω相)与(yu)微观(guan)组织(zhi)形貌(mao)随(sui)着(zhe)变(bian)形工艺(yi)和(he)热处(chu)理(li)制(zhi)度(du)的改(gai)变(bian)而(er)改(gai)变。目前国(guo)内(nei)外对紧(jin)固件(jian)用(yong)TC4钛(tai)合(he)金的(de)研究主(zhu)要侧(ce)重(zhong)于(yu)热稳(wen)定性(xing)能(neng)的(de)研究［9］。
Patia等(deng)［10］采(cai)用(yong)不同(tong)固(gu)溶(rong)时效处理，得(de)出(chu)淬火(huo)延迟(chi)时间从(cong)30s增加到(dao)70s，α相(xiang)含(han)量随(sui)之增(zeng)加，导(dao)致固(gu)溶处理(li)后材料(liao)的(de)强度(du)和硬(ying)度降低［11］。
本(ben)文通(tong)过(guo)对(dui)航(hang)天(tian)紧固(gu)件用TC4钛合(he)金丝材(cai)进行(xing)固溶(rong)时效处(chu)理(li)［12］，研究(jiu)延(yan)时(shi)淬火时间(jian)对固(gu)溶时(shi)效(xiao)后(hou)组织(zhi)与性(xing)能(neng)的(de)影响(xiang)规(gui)律(lv)，以期为特殊用飞机零件的(de)生(sheng)产(chan)提(ti)供组(zu)织(zhi)和性能(neng)依(yi)据。
1、试(shi)验材(cai)料(liao)与(yu)方(fang)法(fa)
1.1试(shi)验(yan)材料(liao)
采(cai)用(yong)φ5.1mm的(de)TC4钛(tai)合金(jin)丝材(cai)作(zuo)为试(shi)验(yan)用料(liao)，该(gai)丝(si)材经真空自耗熔(rong)炼(lian)、开(kai)坯、三火锻(duan)造、两(liang)火(huo)轧(ya)制(zhi)、拉丝制(zhi)成(cheng)，其铸(zhu)锭(ding)化(hua)学(xue)成分符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金(jin)加(jia)工产品(pin)化学成分》的(de)要(yao)求(见(jian)表1)。
1.2试验(yan)方(fang)法
取(qu)φ5.1mm×300mm的试样12支(zhi)，其中(zhong)6支(zhi)进(jin)行固溶(rong)+延(yan)时(shi)淬火(huo)处(chu)理(ST)，剩(sheng)余6支(zhi)进行(xing)固(gu)溶(rong)时(shi)效+延(yan)时(shi)淬火处理(li)(STA)。固溶+延(yan)时淬火(huo)热(re)处(chu)理制(zhi)度(du):
6支试样(yang)于(yu)940℃装(zhuang)炉，待(dai)炉温(wen)升至940℃后保温(wen)1h，取出后流(liu)水(shui)冷却，延迟(chi)淬(cui)火时(shi)间分别(bie)为0(不(bu)延时，出(chu)炉(lu)直接(jie)流水(shui)淬)、2、4、6、8、10s;固(gu)溶时(shi)效+延(yan)时淬火热处理(li)制(zhi)度:6支(zhi)试(shi)样于940℃装(zhuang)炉，待炉(lu)温(wen)升(sheng)至940℃保(bao)温(wen)1h后(hou)，炉冷到540℃时(shi)效(xiao)6h，取出后(hou)流(liu)水(shui)冷却(que)，延(yan)迟淬(cui)火(huo)时间(jian)分(fen)别为(wei)0、2、4、6、8、10s。
为(wei)防(fang)止试样在热(re)处(chu)理(li)过程(cheng)中(zhong)出现弯(wan)折，热处(chu)理时(shi)需(xu)保(bao)持(chi)试(shi)样(yang)水平(ping)置(zhi)于(yu)炉(lu)内(nei)耐火(huo)砖上。试样热处(chu)理后打(da)磨(mo)抛(pao)光(guang)至(zhi)表面无氧(yang)化层(ceng)，在试(shi)样(yang)不同位置(zhi)取样(yang)，分(fen)别进(jin)行(xing)显微(wei)组织、室(shi)温拉伸(shen)、剪(jian)切性能检测(ce)。显微(wei)组织(zhi)采(cai)用OLYMPICSPLAG3光学显(xian)微镜(jing)检(jian)测(ce)，拉伸(shen)和(he)剪切试(shi)验(yan)采用(yong)INSTＲON8985万(wan)能试(shi)验(yan)机(ji)，拉伸速(su)率为(wei)0.4mm/min，最(zui)大试(shi)验(yan)力(li)为250kN。
2、试(shi)验结(jie)果(guo)与讨(tao)论(lun)
2.1延(yan)时淬火对(dui)显(xian)微组织(zhi)的(de)影响(xiang)
2.1.1固(gu)溶(rong)+延(yan)时淬(cui)火
TC4合金丝材(cai)固(gu)溶+延(yan)时(shi)淬(cui)火后(hou)的显微(wei)组(zu)织(zhi)如图(tu)1所(suo)示。可(ke)以(yi)看出(chu)，由(you)于固溶温度(du)稍低于(yu)相变点(dian)温(wen)度(du)，α相并(bing)没有(you)完全(quan)转变为(wei)β相(xiang)，冷却(que)后组(zu)织(zhi)中仍有初生(sheng)α相(xiang)。随(sui)着延(yan)时淬火时间的(de)增加(jia)，显(xian)微组(zu)织(zhi)中初(chu)生α相含量(liang)逐渐减少(shao)，β转(zhuan)逐渐增多(duo)，晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)逐渐(jian)增(zeng)大(da)。延(yan)时淬(cui)火时(shi)间为0～6s(见图(tu)1(a～d))时，组(zu)织形态(tai)为(wei)等轴(zhou)组(zu)织(zhi)，由(you)初生(sheng)α相(占比约(yue)为90%)和(he)α'相(xiang)组(zu)成，未(wei)发(fa)现(xian)β转(zhuan)组(zu)织，无次生α相析出;延时淬火(huo)时间为(wei)8s(见图1(e))时(shi)，β转开(kai)始析出，组织形态为(wei)等轴(zhou)组织(zhi)，由初生α相(xiang)(占比约(yue)为(wei)70%)和(he)细β转组成;延(yan)时(shi)淬(cui)火时间(jian)为(wei)10s(见图1(f))时，β转(zhuan)明(ming)显(xian)增(zeng)多，初(chu)生(sheng)α相含量(liang)急(ji)剧减少(shao)，组织(zhi)形(xing)态(tai)介于等(deng)轴(zhou)组(zu)织(zhi)和(he)双态组(zu)织之(zhi)间(jian)，由初(chu)生α相(占比约(yue)为50%)和粗β转组成。
2.1.2固溶(rong)时(shi)效+延(yan)时淬(cui)火(huo)
TC4合金(jin)丝材(cai)固(gu)溶时效处理(li)+延时(shi)淬火后显(xian)微组织如图(tu)2所(suo)示。
由(you)图(tu)2可以(yi)看出，随着延时(shi)淬火(huo)时间(jian)的(de)增(zeng)加(jia)，显微组(zu)织(zhi)中(zhong)初生α相(xiang)含量逐渐减少，β转(zhuan)逐(zhu)渐增多(duo)，晶粒尺寸(cun)逐(zhu)渐(jian)增大(da)。延(yan)时淬(cui)火(huo)时间(jian)为0～4s(见图2(a～c))时，组(zu)织(zhi)形(xing)态为等轴组织，主要由细小(xiao)的(de)初(chu)生α相(占比约(yue)为50%)和(he)时(shi)效(xiao)α相组成;延时(shi)淬火时(shi)间为(wei)6s(见(jian)图(tu)2(d))时，晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)异常增(zeng)大(da)，β转开(kai)始析(xi)出(chu)次生(sheng)α相(xiang)，随(sui)着延(yan)时淬(cui)火时间的增(zeng)加，β转析(xi)出(chu)次生α相的(de)数量(liang)增加，且次(ci)生α相(xiang)宽度(du)逐(zhu)渐(jian)增(zeng)大(da)。
对(dui)比(bi)TC4合(he)金(jin)丝(si)材(cai)固(gu)溶(rong)+延(yan)时淬火(huo)和固(gu)溶(rong)时(shi)效(xiao)+延(yan)时(shi)淬(cui)火后(hou)的(de)显微组(zu)织可(ke)以(yi)发现，固(gu)溶时(shi)效(xiao)后显微组(zu)织(zhi)中(zhong)有(you)较高含量的(de)强(qiang)化(hua)相，包(bao)括(kuo)次生(sheng)α相和时效α相，同(tong)时(shi)晶粒尺寸也(ye)更小(xiao)。
2.2延时(shi)淬(cui)火对(dui)力(li)学性能(neng)的(de)影响(xiang)
钛合金的(de)性能与其微(wei)观(guan)组织形(xing)貌有着(zhe)密不可分的联(lian)系(xi)。延(yan)时(shi)淬(cui)火(huo)时间对TC4合(he)金(jin)丝材(cai)固(gu)溶和固(gu)溶(rong)时(shi)效(xiao)后(hou)强(qiang)度(du)的(de)影响如图(tu)3所(suo)示(shi)，可以(yi)看(kan)出，固溶(rong)时(shi)效后(hou)材(cai)料强(qiang)度明(ming)显(xian)大于(yu)固(gu)溶(rong)后(hou)强(qiang)度(du)，这(zhe)是因为时效过(guo)程中(zhong)析(xi)出(chu)的(de)过渡相(α'相、α″相和(he)ω相)作(zuo)为强化相(xiang)会增(zeng)加材料(liao)的(de)强(qiang)度。对(dui)于(yu)固溶(rong)和(he)固溶(rong)时(shi)效(xiao)态(tai)，随(sui)着延时(shi)淬(cui)火时间(jian)的增(zeng)加，强度值(zhi)均(jun)呈现(xian)减(jian)小趋势(shi)，这是(shi)因(yin)为淬火过程中发生(sheng)了(le)马(ma)氏(shi)体(ti)相变(bian)，即同素(su)异(yi)构(gou)转(zhuan)变(bian)，合金(jin)的(de)塑性会有所升高(gao)，强(qiang)度、硬度稍(shao)有(you)降低(di)。
对(dui)比(bi)固溶(rong)和(he)固(gu)溶(rong)时(shi)效(xiao)在(zai)不(bu)同(tong)延时淬(cui)火(huo)时间(jian)下的强度(du)值(zhi)可以(yi)发现(xian)，固溶(rong)时效+10s延(yan)时(shi)淬火后(hou)强度(du)与(yu)固(gu)溶(rong)+0s(未(wei)延(yan)时(shi)淬火)后强(qiang)度(du)接(jie)近，由此(ci)可以(yi)推(tui)断，在(zai)本(ben)试验(yan)条件(jian)下，延(yan)时淬火(huo)10s对(dui)强(qiang)度的(de)削减(jian)值基本等同于(yu)时(shi)效(xiao)处(chu)理对强(qiang)度的增(zeng)加(jia)值。
延(yan)时淬(cui)火(huo)时(shi)间(jian)对TC4合(he)金(jin)丝材(cai)固(gu)溶(rong)和固(gu)溶(rong)时效后(hou)塑性(xing)的(de)影响(xiang)如(ru)图4所(suo)示，可以看出，塑(su)性(xing)变(bian)化规(gui)律与(yu)强度变(bian)化(hua)规律(lv)大(da)致(zhi)呈(cheng)现(xian)反(fan)比(bi)关(guan)系，即固溶时效后(hou)材(cai)料(liao)塑(su)性(xing)明显小(xiao)于(yu)固(gu)溶(rong)处(chu)理后(hou)塑(su)性(xing)，随着延时(shi)淬(cui)火时(shi)间的增加(jia)，塑(su)性(xing)均呈(cheng)现(xian)增大(da)趋势(shi)。
延(yan)时淬火时(shi)间(jian)对(dui)TC4合金丝材固(gu)溶(rong)和固(gu)溶(rong)时效后韧(ren)性的(de)影响如图5所示，可以看(kan)出(chu)固(gu)溶时效(xiao)后材(cai)料(liao)的韧(ren)性(xing)基本大于固溶(rong)后(hou)韧性。对于(yu)固(gu)溶和(he)固溶时效，随(sui)着延(yan)时(shi)淬(cui)火时(shi)间的增加，韧性(xing)逐(zhu)渐(jian)减小，这(zhe)是因(yin)为随(sui)着延(yan)时(shi)淬火(huo)时间(jian)的(de)增加(jia)，即淬(cui)火前(qian)材(cai)料(liao)空冷(leng)的(de)时间(jian)增(zeng)加(jia)，片层(ceng)状的次生(sheng)α相(xiang)厚度(du)在(zai)慢速(su)冷却(que)过(guo)程(cheng)中变大(da)，形(xing)态(tai)由魏氏组织趋(qu)向于网篮组(zu)织，而裂纹在(zai)细(xi)片(pian)层状组织(zhi)中扩(kuo)展较(jiao)困难，因此(ci)断(duan)裂韧度更高。
3、结(jie)论(lun)
1)随(sui)着延时淬火(huo)时(shi)间(jian)的(de)增(zeng)加(jia)，固溶和固溶时(shi)效(xiao)后(hou)TC4钛合(he)金(jin)丝材(cai)显(xian)微组(zu)织(zhi)中初生(sheng)α相含(han)量(liang)逐渐(jian)减(jian)少(shao)，β转(zhuan)逐(zhu)渐(jian)增多，晶粒尺寸(cun)逐(zhu)渐增大。
2)对比(bi)固溶(rong)+延(yan)时淬(cui)火和(he)固(gu)溶时效(xiao)+延(yan)时(shi)淬(cui)火后(hou)显微组织可(ke)以发(fa)现，固溶时(shi)效(xiao)后TC4钛合(he)金丝(si)材(cai)显微(wei)组(zu)织(zhi)中(zhong)有(you)较高含量(liang)的(de)强(qiang)化相(xiang)，包(bao)括(kuo)次生α相和时(shi)效α相(xiang)，同时晶粒(li)尺寸(cun)也(ye)更(geng)小。
3)固(gu)溶(rong)时(shi)效(xiao)后材(cai)料(liao)强(qiang)度和韧(ren)性大(da)于固溶(rong)后，塑(su)性(xing)小(xiao)于(yu)固溶后。
4)随(sui)着延时(shi)淬火(huo)时(shi)间的(de)增(zeng)加，强(qiang)度和韧性(xing)均(jun)呈减(jian)小(xiao)趋(qu)势，塑性(xing)值(zhi)均(jun)呈(cheng)增(zeng)大(da)趋势。
5)在本试(shi)验条(tiao)件下，延时淬(cui)火(huo)10s对强(qiang)度的(de)削减值基(ji)本(ben)等(deng)同(tong)于时效处理对(dui)强(qiang)度的(de)增(zeng)加值。
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