不同加工狀態鈦鈮絲對其鉚釘組織和性能的影響

翟翠芬，侯峰起，樊開倫，張 鵬，王飛云，王凱旋，劉向宏

(1.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

(2.西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司貴州分公司，貴州 遵義 563006)

不同加工狀態鈦鈮絲對其鉚釘組織和性能的影響

翟翠芬1，侯峰起2，樊開倫3，張 鵬2，王飛云2，王凱旋2，劉向宏2

(1.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

(2.西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司貴州分公司，貴州 遵義 563006)

研究了加工態絲材和退火態絲材所加工的Ti45Nb合金鉚釘的組織及性能。冷拉拔加工態鈦鈮絲材抗拉強度為680 MPa，剪切強度為390 MPa，且塑性良好，延伸率A為20%，斷面收縮率Z為80%，具有良好加工性能。加工態絲材經退火后，組織實現完全再結晶，抗拉強度降低至550 MPa，塑性有所提高，延伸率A達到30%。兩種狀態絲材經冷鐓加工成鉚釘后，與絲材相比，剪切強度均增高，這與冷鐓加工造成加工硬化有關;而對鉚釘進行退火后，剪切強度均降低，且加工態絲材鐓制的鉚釘的剪切性能一致性優于退火態絲材鐓制的鉚釘。

Ti45Nb合金;鉚釘;微觀組織;力學性能

0 引言

鈦合金因具有較高比強度、良好耐腐蝕性及生物相容性等一系列優點，在各個工業領域得到廣泛應用［1－5］。近年來，鈦合金在航空航天等領域的應用也越來越多，其用量的多少已成為衡量飛行器先進性的一個重要標志。在國外先進飛機上，鋼緊固件已基本被鈦緊固件所代替，具有明顯的減重效果。飛機自身重量的降低，對提高其有效載荷、增強機動性、減少燃料消耗等都具有積極作用［6－7］。此外，因鈦合金與復合材料的電位相近，能有效防止發生電偶腐蝕［8］。

作為一種先進的航空緊固件用材料，Ti45Nb合金具有塑性好、冷加工性能優異等特點，綜合性能水平優于純鈦，非常適合用于復合材料結構的冷鐓鉚接。近年來，國內逐步開展了鈦鈮絲材及其緊固件加工、應用研究，研究重點在于鈦鈮緊固件的綜合性能評價［9］，而絲材狀態對緊固件性能的影響規律研究很少。本研究分析、對比了采用不同狀態的Ti45Nb合金絲材所加工的鉚釘的組織和性能，以及退火處理對鉚釘組織和性能的影響，旨在探討絲材狀態對緊固件性能的影響規律。

1 實驗

實驗采用φ17 mm的Ti45Nb合金磨光棒為原材料，經冷加工得到φ3.9 mm的成品絲材，用于鉚釘鐓制加工。在冷加工態Ti45Nb合金絲材上截取金相試樣、拉伸試樣和剪切性能試樣。對部分絲材進行真空退火處理，退火溫度為850℃，保溫時間為1 h，隨爐冷卻至500℃后充氬冷卻。在退火后絲材上截取金相試樣、拉伸試樣和剪切性能試樣。兩種狀態絲材均利用Z12型自動冷鐓機進行鉚釘鐓制。在鐓制的鉚釘尾部(橫向)取金相試樣，并對鉚釘進行剪切性能測試。鈦鈮鉚釘產品在經過鐓制加工后，一般需進行真空退火、表面處理后交付使用。因此對兩種鉚釘進行了相同制度退火，溫度為850℃，保溫時間1 h，隨爐冷卻至500℃后充氬冷卻。在退火后的鉚釘尾部(橫向)和頭部(縱向)取金相試樣。

圖1 加工態及退火態Ti45Nb合金絲材的金相照片Fig.1 Metallographs of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

采用OLYMPUS PMG3金相顯微鏡對Ti45Nb合金絲材及所加工鉚釘進行金相組織分析。用酸液對鉚釘進行腐蝕，觀察其低倍組織。采用Instron1196萬能試驗機對Ti45Nb合金絲材進行室溫拉伸性能測試和剪切性能測試，對所加工的鉚釘進行剪切性能測試，拉伸試驗的應變速率為1×10－3s－1，剪切試驗加載速率為18 kN/min。

2 結果與討論

2.1 絲材的組織和性能

圖1為φ3.9 mm絲材加工態及退火態的橫、縱向金相組織照片。從圖1可以看出，加工態絲材為明顯的變形組織;橫向照片上，邊部、心部組織均勻一致，縱向晶粒沿變形方向拉長。退火后，絲材橫、縱向組織完全再結晶，等軸化程度良好，平均晶粒度級別均可達到6級以上，且縱向組織存在明顯流線。

圖2為φ3.9 mm絲材加工態及退火態室溫拉伸性能對比。經過90%以上冷加工變形，Ti45Nb合金絲材加工態強度為680 MPa，剪切強度為390 MPa，且塑性良好，延伸率可達20%，斷面收縮率為80%，保證了進一步冷加工變形能力。退火后，絲材拉伸強度為550 MPa，較退火前明顯降低，延伸率略有提升，達到30%，而斷面收縮率變化不明顯。這說明絲材經較大變形量的冷加工后，加工硬化程度較弱，塑性性能損失較低，仍具有較好的變形能力，退火過程對改善絲材變形能力的作用不明顯。兩種狀態的絲材均具有可進一步進行冷加工的強度及塑性水平。

圖2 加工態及退火態Ti45Nb合金絲材的力學性能Fig.2 Mechanical properties of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

2.2 兩種狀態絲材所鐓制鉚釘的組織及性能

對加工態及退火態Ti45Nb合金絲材進行同型號鉚釘鐓制，并進行了高低倍組織及剪切性能的分析對比。圖3為兩種狀態絲材所加工鉚釘的低倍照片及釘尾部顯微組織(橫向)?？梢钥闯?，加工態絲材所鐓制的鉚釘的高低倍組織均勻性更為良好，而退火態絲材有明顯的變形痕跡。由于鉚釘鐓制為劇烈的不均勻變形過程，加工態絲材強度較高、塑性良好，故具有良好變形協調性，而退火后絲材強度較低、塑性略好，鐓制過程中發生的不均勻流變痕跡更為明顯。

圖3 不同狀態絲材制備的Ti45Nb合金鉚釘的低倍組織及顯微組織Fig.3 Macrostructures and microstructures of the Ti45Nb alloy rivets by cold drawn wire and annealed wire

對鈦鈮鉚釘而言，剪切性能是其關鍵性能指標之一。圖4為兩種狀態絲材鐓制后的鉚釘的剪切性能對比。可以看出，鉚釘剪切強度均較絲材提高約20 MPa，說明在鐓制過程中，釘桿部位也產生了一定程度的加工硬化。整體而言，加工態絲材及其鐓制的鉚釘的剪切強度比退火態絲材及鉚釘高20 MPa，說明鐓制過程產生的加工硬化程度相近。就性能一致性而言，加工態絲材所鐓制的鉚釘更好，這與其較好的變形過程協同性有關。

2.3 兩種狀態絲材所鐓制鉚釘退火后的組織及性能

圖4 Ti45Nb合金鉚釘的剪切性能對比Fig.4 Shear strength comparison of the Ti45Nb alloy rivets produced by different wires

圖5為加工態及退火態絲材所加工的鉚釘經退火后其尾部橫向、頭部縱向的組織。可以看出，退火后兩種鉚釘釘尾的邊部、心部組織均勻性較為良好，但退火態絲材所加工鉚釘的晶粒略顯粗大。退火態絲材釘頭的劇烈變形區域出現較大晶粒，邊部、心部組織差異較大，這是因鐓制變形的不均勻造成區域變形畸變能差異，退火中的再結晶驅動力不同，而加工態絲材在鐓制過程中變形協調性更好，故組織更為均勻。

圖5 Ti45Nb合金鉚釘退火后的金相照片Fig.5 Metallographs of the annealed Ti45Nb alloy rivets

圖6 Ti45Nb合金鉚釘退火后的剪切性能對比Fig.6 Shear strength comparison of the annealed Ti45Nb alloy rivets

圖6為鉚釘退火后的剪切性能?？梢钥闯?，加工態絲材鐓制的鉚釘，其剪切強度明顯降低，而退火態絲材鐓制的鉚釘，其剪切強度略有降低。不同鉚釘剪切強度變化的差異可能由于鉚釘桿部在加工、退火過程中的變形及再結晶織構變化不同造成，需進一步進行深入分析。此外，與鐓制后鉚釘的剪切性能對比結果一致，退火后，加工態絲材所鐓制鉚釘的性能一致性也優于退火態絲材鐓制的鉚釘，同樣可歸因于良好的組織均勻性。

3 結論

(1)經過較大變形量加工的φ3.9 mm Ti45Nb合金絲材的抗拉強度約為680 MPa，塑性良好，延伸率及斷面收縮率與退火后性能水平相當，具有良好的冷鐓加工性能。

(2)兩種狀態絲材所加工鉚釘均可達到應用需求的理想性能水平，均可實現良好應用。但與退火態絲材相比，加工態絲材所鐓制的鉚釘的組織更為均勻，性能一致性也更好。

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Effect of Ti45Nb Wires under Different Processing States on the Microstructure and Mechanical Properties of the Rivets

Zhai Cuifen1，Hou Fengqi2，Fan Kailun3，Zhang Peng2，Wang Feiyun2，Wang Kaixuan2，Liu Xianghong2
(1.Shenyang Aircraft Industry Corporation，Shenyang 110850，China)
(2.Western Superconducting Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China)
(3.Guizhou Aerospace Precision Products Co.，Ltd.，Zhunyi 563006，China)

The microstructure and mechanical properties of Ti45Nb rivets produced by different wires(cold drawn and annealed)were researched in this paper.The cold drawn Ti45Nb wires with ultimate tensile strength of 680 MPa，shear strength of 390 MPa，elongation ratio of 20%and the reduction of area of 80%，have ideal cold process ability.Annealed at 850℃，the microstructures of the wires are completely recrystallized，and the ultimate tensile strength reduced to 550 MPa，elongation ratio up to 30%.When different wires cold heading to rivets，the shear strength increase compared to wires due to the work hardening effect.When both rivets are annealed，the shear strength both decrease，but uniformity of shear strength of rivets produced by cold drawn Ti45Nb wires is better.

Ti45Nb alloy;rivet;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.009

2015－05－05

王凱旋(1977—)，男，高級工程師。