緊固件用 Ti-45Nb合金熱處理工藝研究

王新南,朱知壽,商國(guó)強(qiáng),童 路,張豐收,龔少梅

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超導(dǎo)材料科技有限公司,陜西 西安 710018) (3.中國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550014)

緊固件用 Ti-45Nb合金熱處理工藝研究

王新南1,朱知壽1,商國(guó)強(qiáng)1,童 路1,張豐收2,龔少梅3

(1.北京航空材料研究院,北京 100095) (2.西部超導(dǎo)材料科技有限公司,陜西 西安 710018) (3.中國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550014)

研究了真空退火熱處理工藝對(duì) Ti-45Nb合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:Ti-45Nb合金的β晶粒隨退火溫度的提高而長(zhǎng)大;隨著退火溫度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切強(qiáng)度的變化不明顯;當(dāng)退火溫度為 810℃時(shí),合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度的良好匹配。

Ti-45Nb合金;緊固件;退火處理;力學(xué)性能

1 前 言

先進(jìn)飛機(jī)上鈦合金與復(fù)合材料的用量越來(lái)越大,而作為復(fù)合材料和鈦合金的連接件,鈦合金緊固件的大量應(yīng)用也是飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)重要體現(xiàn)。近年來(lái),鈦合金緊固件代替較重的鋼制緊固件,減重效果非常明顯,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于近代航空航天的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)中,從而進(jìn)一步減輕飛機(jī)的質(zhì)量、提高連接部件的可靠性以延長(zhǎng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命[1-2]。例如,如波音 747飛機(jī)緊固件以鈦代鋼后,其結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1 814 kg,一架俄羅斯的伊爾 -96飛機(jī)用鈦緊固件 14.2萬(wàn)件,可減少質(zhì)量 600 kg。

又由于鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,特別是它的正電位性能恰好與碳纖維復(fù)合材料相匹配,有效地防止了緊固件的電偶腐蝕。這一特性是任何其他材料所無(wú)法取代的,這也是鈦合金緊固件迅速發(fā)展、用量逐年增加的另一個(gè)原因[3-6]。

Ti-45Nb合金在退火態(tài)具有較好的拉伸性能(441～490M Pa)、剪切強(qiáng)度 (365M Pa)和高的塑性(延伸率 10%,斷面收縮率 50%),適合用于制造復(fù)合材料的鉚釘連接件。在用于鉚釘材料的鈦合金材料中,鈦鈮鉚釘和純鈦鉚釘比較容易鉚接成形。鈦鈮合金的剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均高于純鈦,而且變形抗力低于純鈦,因此美國(guó)在航空航天產(chǎn)品中全部改用冷加工性能優(yōu)異的鈦鈮鉚釘。

本文研究了不同熱處理工藝對(duì)緊固件用 Ti-45Nb合金組織和性能的影響,為我國(guó)制定 Ti-45Nb合金絲材和鉚釘?shù)臒崽幚砉に囂峁├碚摵蛯?shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用原材料來(lái)源于西部超導(dǎo)材料科技有限公司生產(chǎn)的 φ4 mm冷態(tài)絲材,其名義成分為 Ti-45Nb。通過(guò)線切割的方法截取若干組試樣,進(jìn)行真空退火處理,退火溫度分別為 750,780,810, 840,870,900℃,退火時(shí)間均為 1 h。經(jīng)退火后的試樣進(jìn)行拉伸性能和剪切性能測(cè)試。采用配比為1HF-2HNO3-5H2O(體積分?jǐn)?shù))的腐蝕液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕;利用 JEOL JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察和分析;在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)合金經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 退火溫度對(duì)合金拉伸性能的影響

圖1為在不同溫度下真空退火后的 φ4mm的 Ti -45Nb絲材的力學(xué)性能。由圖1可以看出,隨著退火溫度的升高,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢(shì),這與真空退火后的隨爐冷卻方式導(dǎo)致二次相析出有關(guān)。退火溫度為 780℃時(shí),合金的強(qiáng)度略微有所下降,但是合金的強(qiáng)度在整個(gè)退火溫度區(qū)間內(nèi)的增加幅度不是很明顯,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別穩(wěn)定在 510～540 M Pa以及 480～500M Pa之間;同時(shí),合金的斷面收縮率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),而延伸率無(wú)明顯變化。

圖1 不同退火溫度下 Ti-45Nb合金的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.2 不同退火溫度對(duì)合金剪切性能的影響

Ti-45Nb棒材經(jīng)不同溫度退火處理后的剪切性能如圖2所示。從圖2可以看出,隨著退火溫度的升高,合金的剪切強(qiáng)度逐漸升高,從750℃時(shí)的407M Pa提高到900℃時(shí)的 426M Pa。經(jīng)不同溫度退火處理的合金均獲得了較高的剪切強(qiáng)度。

圖2 不同退火溫度下 Ti-45Nb合金的剪切性能Fig.2 Shear properties of the Ti-45Nb under different annealing temperature

3.3 不同退火溫度對(duì)合金顯微組織的影響

Ti-45Nb棒材在真空退火條件下經(jīng)不同溫度退火處理后的顯微組織如圖3所示?？梢钥闯?當(dāng)退火溫度分別為 750℃和 900℃時(shí),其顯微組織均為等軸β晶粒,這與 Ti-Nb相圖[7]的相組成結(jié)果相一致,只是其晶粒大小有所不同。通過(guò)測(cè)定可以得出,當(dāng)退火溫度為750℃時(shí),其β晶粒大小為34.6μm,當(dāng)退火溫度升高到900℃,其β晶粒大小增大到54.1μm。同時(shí)可以看出,當(dāng)退火溫度為810℃時(shí),合金的顯微組織比較細(xì)小且均勻;而當(dāng)退火溫度升高到840℃時(shí),合金的β晶粒發(fā)生了比較明顯的長(zhǎng)大。對(duì)比合金的力學(xué)性能,可以得出,Ti-45Nb合金的力學(xué)性能并沒(méi)有隨著合金晶粒的長(zhǎng)大而發(fā)生明顯的變化,且退火溫度為810℃時(shí),合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度的良好匹配。

圖3 Ti-45Nb合金經(jīng)不同溫度退火后的掃描電鏡照片:(a)750℃;(b)810℃;(c)840℃;(d)900℃Fig.3 SEM micrographs of the Ti-45Nb allog after heat treated at different temperature:(a)750℃;(b)810℃; (c)840℃;(d)900℃

3.4 緊固件用 Ti-45Nb合金應(yīng)用實(shí)例

Ti-45Nb合金在真空退火狀態(tài)下具有較好的拉伸性能、剪切強(qiáng)度和高的塑性,同時(shí)還具有十分優(yōu)良的冷鐓性能,可以冷鐓成復(fù)雜形狀鐓頭的鉚釘。圖4為課題組試制的不同規(guī)格 Ti-45Nb合金冠狀鉚釘和 100°沉頭鉚釘。

圖4 不同規(guī)格的 Ti-45Nb合金鉚釘:(a)冠狀鉚釘;(b)100°沉頭鉚釘Fig.4 Ti-45Nb alloy rivets with different specification:(a)coronary rivet;(b)100°sunk rivets

4 結(jié) 論

(1)Ti-45Nb合金的β晶粒隨退火溫度的提高而長(zhǎng)大。當(dāng)退火溫度由750℃升高到900℃時(shí),其β晶粒大小由 34.6μm增大到 54.1μm,但并沒(méi)有使得合金的力學(xué)性能發(fā)生明顯變化。

(2)隨著退火溫度的提高,Ti-45Nb合金的拉伸性能以及剪切強(qiáng)度變化不明顯。

(3)當(dāng)退火溫度為810℃時(shí),合金獲得了較理想的顯微組織以及拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)度的良好匹配。

[1]張樹(shù)啟.緊固件用高強(qiáng)度鈦合金的發(fā)展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,1998,15(5):1-3.

[2]顧中灼.鈦β合金緊固件研究[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 1999(2):17-20.

[3]張慶玲,王慶如,李興無(wú).航空用鈦合金緊固件選材分析[J].材料工程,2007(1):11-14.

[4]趙慶云,劉風(fēng)雷,劉華東.世界先進(jìn)航空緊固件進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2009(3):54-56.

[5]劉風(fēng)雷.我國(guó)航空鈦合金緊固件的發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2000(6):39-40.

[6]程敏.金屬鈦及其應(yīng)用[M].趙克德,譯.北京:冶金工業(yè)出版社,1989.

[7]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Study on Heat Treatment Processing of Ti-45Nb Alloy Used in Fastener

Wang Xinnan1,Zhu Zhishou1,Shang Guoqiang1,Tong Lu1,Zhang Fengshou2,Gong Shaomei3
(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) (2.Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China) (3.China Aviation Industry Standard Parts Manufacturing Co.,Ltd.,Guiyang 550014,China)

The effect of vacuum annealing heat treatment processing on the microstructures and mechanical properties of Ti - 45Nb alloy was investigated. The results show that, with annealing temperature increasing, the β grains increase gradually. The tensile properties and shear strength do not changed obviously with the increment of annealing temperature. Meanwhile, the better comprehensive performance of tensile and shear strength was obtained using annealing temperature at 810℃.

Ti-45Nb alloy;fastener;annealing;mechanical properties

2010-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (59493300);教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目 (9800462)

王新南 (1980-),女,碩士,工程師,電話:010-62496630;E-m ail:nansm ily@126.com。