隨著對(duì)飛機(jī)先進(jìn)性要求的提高，對(duì)緊固件材料的要求越來(lái)越高，高強(qiáng)度、高減重、耐腐蝕、無(wú)磁性、與復(fù)合材料相容性好的鈦合金逐漸成為先進(jìn)飛機(jī)緊固件材料的首要選擇［1-4］。鈦合金的熱處理方式通常包括退火和固溶+時(shí)效處理［5］，而固溶+時(shí)效的熱處理方式是獲得高強(qiáng)度緊固件的有效措施。TC4(Ti-6Al-4V)合金作為雙相鈦合金，由于其良好的綜合性能及工藝特性，成為鈦工業(yè)中的王牌合金，被廣泛地應(yīng)用于化工、電力、航空航天、體育器械等領(lǐng)域［6］。TC4鈦合金經(jīng)固溶+時(shí)效處理后可以獲得穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相，而等軸α相使合金的綜合力學(xué)性能得到提升，彌散的馬氏體α'相使合金的強(qiáng)度、硬度提高，塑性韌性下降［7］。棒材在固溶時(shí)效過(guò)程中不同位置的冷卻速度存在差異，而冷卻速度是影響組織和性能的主要因素之一［8］，因此，本文通過(guò)對(duì)航天用緊固件TC4鈦合金棒材進(jìn)行固溶時(shí)效處理，觀察并檢測(cè)試樣邊部至心部的顯微組織、顯微硬度和室溫拉伸性能，探究冷卻速度對(duì)緊固件用TC4鈦合金組織與性能的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采用航天緊固件材料TC4鈦合金φ25mm的棒材作為試驗(yàn)用料，該棒材經(jīng)真空自耗熔煉、開(kāi)坯、三火鍛造、兩火軋制制成，其鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620.1-2016中《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分》的要求，如表1所示。

1.2試驗(yàn)方法

將直徑為φ25mm，長(zhǎng)度為80mm的棒材于960℃裝爐，待爐溫升至960℃后保溫1h，取出水冷，延遲淬火時(shí)間不超過(guò)5s，隨后進(jìn)行550℃保溫8h的時(shí)效處理。取試樣端部(L)和中部(L/2)處制成金相試樣，采用OLYMPICSPLAG3光學(xué)顯微鏡分別觀察L和L/2處截面上邊部至心部的顯微組織(見(jiàn)圖1(a))，同時(shí)采用硬度計(jì)檢測(cè)L和L/2處截面上邊部至心部的顯微硬度值，檢測(cè)位置見(jiàn)圖1(b)，硬度采用401MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量，荷載砝碼為500g，保壓時(shí)間為10s。

在同一支φ25mm棒材上連續(xù)取4支80mm長(zhǎng)的試樣，其中2支試樣在其中心縱向掏出φ8mm的棒材，剩余部分標(biāo)記為3號(hào)、4號(hào)試樣，剩余2支試樣標(biāo)記為1號(hào)和2號(hào)(見(jiàn)圖2)。同時(shí)采用960℃×1h，水冷+550℃×8h的熱處理制度對(duì)4支試樣進(jìn)行固溶時(shí)效處理，并檢測(cè)其室溫拉伸性能。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1冷卻速度對(duì)顯微組織的影響

對(duì)于大多數(shù)鈦合金而言，其力學(xué)性能很大程度上取決于α相的含量和形態(tài)，其中在兩相區(qū)保溫過(guò)程中等軸α相能夠?qū)Ζ孪嗥鸬结斣饔?，抑制β相的長(zhǎng)大，提高材料的塑性和抗疲勞特性;片狀α相具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性［8-10］;針狀α相均勻地分布在β相基體上，能夠起到彌散強(qiáng)化效果［11-13］。 試樣端部(L)和中部(L/2)截面上的顯微組織如圖3所示，其中圖3(a～c)是試樣端部(L)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織，圖3(d～f)是試樣中部(L/2)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織。從圖3可以看出，合金的組織受冷卻速度的影響較明顯。固溶時(shí)效后的顯微組織為混合組織，包含穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相［13］。初生α相含量與固溶溫度有關(guān)［11］，因此初生α相含量和形態(tài)沒(méi)有明顯差別，L截面在冷卻過(guò)程中與水接觸，不同位置的冷卻速度相差不大，次生α相的形態(tài)和含量沒(méi)有明顯差異［14］;L/2截面上邊部至心部的冷卻速度逐漸減小，而冷卻速度直接決定次生α相的片層厚度，在組織上表現(xiàn)為次生α相含量增多，同時(shí)次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化，見(jiàn)圖3(d～f);對(duì)比L截面與L/2截面也可發(fā)現(xiàn)圖3(a～d)的組織形態(tài)類似，但圖3(e，f)組織中初生α相含量少于邊部組織。

2.2冷卻速度對(duì)硬度的影響

試樣L和L/2截面上邊部至心部的顯微硬度值如圖4所示。從圖4可以看出，L截面因冷卻速度相差不大所以顯微硬度值沒(méi)有明顯區(qū)別，L/2截面上由試樣邊部至心部的顯微硬度值呈總體下降趨勢(shì)，同時(shí)L/2截面上邊部的顯微硬度值與L截面相差不大，此結(jié)果與理論相符合［15-16］。

2.3冷卻速度對(duì)室溫拉伸性能的影響

4支試樣的室溫拉伸性能見(jiàn)表2，從表2可以看出，4支試樣的伸長(zhǎng)率均符合GJB2219-1994《緊固件用鈦合金棒(線)材規(guī)范》要求，3、4號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度明顯高于1、2號(hào)試樣，且符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這是因?yàn)?、2號(hào)試樣的心部在固溶時(shí)效時(shí)冷卻緩慢，而3、4號(hào)試樣是在去掉心部后直接進(jìn)行固溶時(shí)效處理，能得到充分的加熱從而保留較多的初生α相，同時(shí)冷速較快使等軸狀次生α相含量減少，這種有較多初生α相和較少次生α相的雙態(tài)組織會(huì)使合金的強(qiáng)度升高，塑性降低。

通過(guò)4支試樣的室溫拉伸性能比較，可以認(rèn)為固溶時(shí)效過(guò)程中的冷卻速度通過(guò)影響初生α相的含量以及次生α相含量和形態(tài)從而影響試樣的室溫拉伸性能。

3、結(jié)論

1)TC4鈦合金棒材經(jīng)固溶時(shí)效處理后心部和表面的組織與性能受冷卻速度的影響呈現(xiàn)顯著差異。

2)TC4鈦合金棒材固溶時(shí)效后的顯微組織由穩(wěn)定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩(wěn)定β相組成，試樣端面上次生α相的形態(tài)和含量沒(méi)有明顯差異;中部截面上邊部至心部的次生α相含量逐漸增多，同時(shí)次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化;對(duì)比端部與中部截面邊部初生α相含量和形態(tài)沒(méi)有明顯差異。

3)TC4鈦合金棒材端面上顯微硬度值沒(méi)有明顯差異，但中部截面上由邊部至心部的顯微硬度值呈總體降低趨勢(shì)，且中部截面上邊部的顯微硬度值與端面相差不大。

4)TC4鈦合金棒材心部因固溶過(guò)程中冷卻緩慢，棒材整體試樣的室溫拉伸性能不符合標(biāo)準(zhǔn)，且明顯低于去除心部的試樣。

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