熱處理對(duì)緊固件用TB8鈦合金棒材力學(xué)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(chǎn)流程，研究了熱處理制度對(duì)TB8棒材力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明棒材在750℃～830℃保溫0.5h～2h，抗拉強(qiáng)度為800MPa～1000MPa，剪切強(qiáng)度大于570MPa；隨后因時(shí)效溫度的變化，分別可得到1100MPa、1200MPa、1300MPa不同強(qiáng)度級(jí)別的棒材。

關(guān)鍵詞：緊固件；TB8鈦合金；力學(xué)性能

TB8鈦合金屬亞穩(wěn)定β鈦合金，名義成分Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si，國外對(duì)應(yīng)牌號(hào)為Beta-21S（UNS Number R58210）。該合金具有優(yōu)良的比強(qiáng)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(shí)經(jīng)熱處理可獲得高強(qiáng)度。TB8鈦合金可以在固溶狀態(tài)和固溶時(shí)效狀態(tài)下使用，固溶狀態(tài)的使用溫度為200℃，固溶后冷成型狀態(tài)的使用溫度為150℃，固溶時(shí)效狀態(tài)的最高使用溫度為550℃[1]。由于優(yōu)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(guī)范》修訂版中。規(guī)范中固溶制度為（780～810）℃保溫（0.5～2）h，空冷；時(shí)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(duì)TB8緊固件用棒材力學(xué)性能的影響，為今后該合金的工業(yè)化制備及應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 棒材制備

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

鑄錠在β相區(qū)經(jīng)多火次鍛造后，制備為直徑φ150mm、組織均勻的棒材坯料，并進(jìn)行了表面機(jī)加工處理。采用金相法對(duì)TB8相變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果為810～815℃。

隨后成品棒材制備并未采用傳統(tǒng)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(jié)果及分析

2.1 固溶制度及力學(xué)性能

對(duì)制備的φ10mm棒材，截取試樣后在780℃～850℃分別進(jìn)行7組試樣的固溶處理，溫度間隔為10℃。因棒材規(guī)格小，固溶時(shí)間均采用0.5小時(shí)，冷卻方式采用空冷。

同時(shí)在相變點(diǎn)上及相變點(diǎn)下，分別選取800℃及830℃兩個(gè)溫度，固溶時(shí)間從0.5h～1.5h做了固溶試驗(yàn)，固溶時(shí)間間隔為0.5h。

固溶處理的具體制度及性能見表2。

2.2 時(shí)效制度及力學(xué)性能

選用800℃/0.5h.AC作為固溶制度，時(shí)效溫度在460℃～620℃，時(shí)效時(shí)間為8.5h，進(jìn)行了9組時(shí)效處理，時(shí)效溫度間隔為10℃。

同時(shí)在固溶及時(shí)效溫度不變的前提下，對(duì)時(shí)效時(shí)間從6～12分別進(jìn)行了時(shí)效處理，時(shí)間間隔為1小時(shí)。

固溶處理的具體制度及性能見表3。

2.3 熱處理與力學(xué)性能的分析

由表2可以看出，連軋工藝生產(chǎn)的TB8棒材，在相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上40℃范圍內(nèi)固溶，因固溶時(shí)間短，溫度范圍小，因此晶粒尺寸相對(duì)穩(wěn)定，固溶溫度對(duì)棒材的力學(xué)性能影響很小；在相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下30℃范圍內(nèi)固溶，隨著固溶溫度降低，棒材強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，塑性逐漸上升，在此溫度區(qū)間內(nèi)力學(xué)性能并不會(huì)有顯著變化。

同時(shí)在相變點(diǎn)附件的溫度區(qū)間內(nèi)延長固溶時(shí)間，對(duì)于力學(xué)性能并不會(huì)顯著變化。因此在工業(yè)化生產(chǎn)中，小規(guī)格棒材可適當(dāng)減少固溶時(shí)間，有利于經(jīng)濟(jì)型。后期試驗(yàn)證明經(jīng)800℃/0.5h.AC固溶處理的棒材試樣，晶粒度評(píng)級(jí)為7級(jí)，剪切強(qiáng)度為620MPa；冷頂鍛工藝中，鍛后高度與鍛前高度之比為1：3時(shí)，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(shí)效溫度對(duì)棒材力學(xué)性能影響顯著，隨著時(shí)效溫度的降低，強(qiáng)度增加，塑性降低；但延長時(shí)效時(shí)間并不能對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。通過調(diào)整時(shí)效溫度，可以獲得不同強(qiáng)度級(jí)別的棒材。

3 結(jié)束語

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

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

（3）對(duì)于連軋工藝生產(chǎn)的TB8鈦合金緊固件用棒材，通過熱處理可得到強(qiáng)度級(jí)別為1300MPa、1200MPa和1100MP的棒材。

參考文獻(xiàn)

[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(yīng)用[J].機(jī)械工程師， 2013（10）：41-42.

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