熱處理對緊固件用TB8鈦合金棒材力學性能的影響

胡志杰 馮軍寧 馬忠賢 王田

摘 要：文章介紹了緊固件用TB8棒材的生產流程，研究了熱處理制度對TB8棒材力學性能的影響。結果表明棒材在750℃～830℃保溫0.5h～2h，抗拉強度為800MPa～1000MPa，剪切強度大于570MPa；隨后因時效溫度的變化，分別可得到1100MPa、1200MPa、1300MPa不同強度級別的棒材。

關鍵詞：緊固件；TB8鈦合金；力學性能

TB8鈦合金屬亞穩定β鈦合金，名義成分Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si，國外對應牌號為Beta-21S（UNS Number R58210）。該合金具有優良的比強度、焊接性能、抗蠕變性能、高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能，同時經熱處理可獲得高強度。TB8鈦合金可以在固溶狀態和固溶時效狀態下使用，固溶狀態的使用溫度為200℃，固溶后冷成型狀態的使用溫度為150℃，固溶時效狀態的最高使用溫度為550℃[1]。由于優異的綜合性能，TB8鈦合金已成為理想的航空航天緊固件用材料[2，3]，并擬納入GJB 2219《緊固件用鈦合金棒（線）材規范》修訂版中。規范中固溶制度為（780～810）℃保溫（0.5～2）h，空冷；時效制度為（520～560）℃保溫（8～12）h，空冷。

文章通過研究熱處理工藝對TB8緊固件用棒材力學性能的影響，為今后該合金的工業化制備及應用提供參考數據。

1 棒材制備

由于TB8鈦合金含有較多的Mo、Nb等β穩定元素，鑄錠采用3次真空自耗電弧爐熔煉制備，鑄錠規格為直徑φ580mm，化學成分見表1。

鑄錠在β相區經多火次鍛造后，制備為直徑φ150mm、組織均勻的棒材坯料，并進行了表面機加工處理。采用金相法對TB8相變點進行測定，結果為810～815℃。

隨后成品棒材制備并未采用傳統的精鍛后軋制工藝，而是采用了效率更高的高速連軋工藝。分2次將φ150軋制為直徑10mm的棒材，單只棒材重量約為25kg。

2 熱處理結果及分析

2.1 固溶制度及力學性能

對制備的φ10mm棒材，截取試樣后在780℃～850℃分別進行7組試樣的固溶處理，溫度間隔為10℃。因棒材規格小，固溶時間均采用0.5小時，冷卻方式采用空冷。

同時在相變點上及相變點下，分別選取800℃及830℃兩個溫度，固溶時間從0.5h～1.5h做了固溶試驗，固溶時間間隔為0.5h。

固溶處理的具體制度及性能見表2。

2.2 時效制度及力學性能

選用800℃/0.5h.AC作為固溶制度，時效溫度在460℃～620℃，時效時間為8.5h，進行了9組時效處理，時效溫度間隔為10℃。

同時在固溶及時效溫度不變的前提下，對時效時間從6～12分別進行了時效處理，時間間隔為1小時。

固溶處理的具體制度及性能見表3。

2.3 熱處理與力學性能的分析

由表2可以看出，連軋工藝生產的TB8棒材，在相轉變點以上40℃范圍內固溶，因固溶時間短，溫度范圍小，因此晶粒尺寸相對穩定，固溶溫度對棒材的力學性能影響很小；在相轉變點以下30℃范圍內固溶，隨著固溶溫度降低，棒材強度有下降趨勢，塑性逐漸上升，在此溫度區間內力學性能并不會有顯著變化。

同時在相變點附件的溫度區間內延長固溶時間，對于力學性能并不會顯著變化。因此在工業化生產中，小規格棒材可適當減少固溶時間，有利于經濟型。后期試驗證明經800℃/0.5h.AC固溶處理的棒材試樣，晶粒度評級為7級，剪切強度為620MPa；冷頂鍛工藝中，鍛后高度與鍛前高度之比為1：3時，棒材表面無裂紋。完全滿足航空緊固件用棒材的要求。

由表3可知，時效溫度對棒材力學性能影響顯著，隨著時效溫度的降低，強度增加，塑性降低；但延長時效時間并不能對力學性能產生顯著影響。通過調整時效溫度，可以獲得不同強度級別的棒材。

3 結束語

（1）TB8鈦合金固溶溫度控制在相變點附近40℃內，強度和塑性可得到較好的匹配，強度Rm≥820，延伸率A≥15%，斷面收縮率Z≥15%，且隨著固溶的時間延長，強度及塑性不會有顯著變化。

（2）時效溫度對TB8鈦合金的抗拉強度影響顯著，在（620-480）℃隨著時效溫度降低，強度提高，塑性降低。

（3）對于連軋工藝生產的TB8鈦合金緊固件用棒材，通過熱處理可得到強度級別為1300MPa、1200MPa和1100MP的棒材。

參考文獻

[1]黃伯云，李成功，等.中國材料工程大典[M].北京化工出版社，2005，8.

[2]朱李云，謝田，張泓.TB8與GH4169料在緊固件中的應用[J].機械工程師， 2013（10）：41-42.

[3]張利軍，王幸運，等.鈦合金材料在我國航空緊固件中的應用[J].航空制造技術，2013（16）：129-132.