張青來，匡雁銳，韓寅奔，韓偉東，馮甜甜

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004；3. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞 721013)

冷鐓緊固件用Ti-3Al-5Mo-4.5V鈦合金的微觀組織及性能

張青來1，匡雁銳1，韓寅奔2，韓偉東3，馮甜甜1

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004；3. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞 721013)

通過透射電鏡、掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡等手段，研究絲材制備過程中BT16鈦合金的組織結(jié)構(gòu)演變。結(jié)果表明：BT16合金退火態(tài)絲材具有良好的力學(xué)性能，斷面收縮率Ψ為62%～65%，冷鐓變形量達(dá)到80%；退火后的合金組織由初生等軸α相、少量短條狀α相及晶間β相組成的；固溶時效后合金組織由不規(guī)則的等軸狀初生α相和析出針狀α′相的β相組成，其中淬火時效合金中的針狀α′相更細(xì)小。

BT16鈦合金；冷鐓緊固件；微觀組織；固溶；時效；力學(xué)性能

Ti-3Al-5Mo-4.5V鈦合金(BT16)由全俄輕合金研究院研制，是一種高強(qiáng)、新型的典型α+β兩相鈦合金，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和冷鐓成形，該合金的主要半成品是軋制態(tài)和拉拔態(tài)直徑為4～10 mm的絲材和棒材，通過冷鐓可以制作螺釘、螺栓和鉚釘?shù)群娇站o固件[1?2]。

BT16鈦合金特點(diǎn)如下：含少量的Al，更多的β穩(wěn)定元素(Mo)，β相穩(wěn)定系數(shù)Kβ高達(dá)0.8，β相含量約為25%～30%，退火或淬火狀態(tài)下都具有較高的塑性，而固溶+時效合金具有更高的強(qiáng)度，而塑性降低不明顯[3]。鈦合金在熱處理過程中出現(xiàn)的主要過渡相有α′相、α″相和淬火時效β相[4?5]。俄羅斯采用退火態(tài)BT16合金絲材冷鐓制作航空緊固件[6]。國內(nèi)外學(xué)者[7?11]對BT16鈦合金退火工藝、微觀組織、相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。WANG等[12]和張慶玲等[13]研究冷變形過程形成的絕熱剪切帶相轉(zhuǎn)變。采用BT16合金制造冷變形強(qiáng)化緊固件，其工時和成本最低，可在160 ℃以下無限期使用；采用固溶時效BT16合金制造的緊固件，其工作溫度可達(dá)350 ℃。

因此，本文作者將利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)手段研究BT16鈦合金在生產(chǎn)過程中組織結(jié)構(gòu)演變及熱處理工藝對合金絲材力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化BT16鈦合金及應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有重要的應(yīng)用價值和研究意義。

1 實(shí)驗(yàn)

在本實(shí)驗(yàn)中，使用直徑為6.5 mm的BT16鈦合金絲材，其化學(xué)成分如表1所列。合金絲材的制備過程如下：鑄錠→開坯→鍛造→軋制。首先，利用兩次真空自耗電極熔化爐獲得直徑為210 mm的BT16鈦合金鑄錠，然后開坯，開始溫度為1 150 ℃，結(jié)束溫度控制在800 ℃左右，之后熱鍛成直徑為7.5 mm的絲材，最后進(jìn)行退火處理：780 ℃保溫2 h，爐冷至550 ℃，再空冷。退火后的絲材進(jìn)行表面磨光，以備冷鐓實(shí)驗(yàn)用。

利用LEICA DM2500M型正置透反射光學(xué)顯微鏡(OM)、JEOL JEM?2100型透射電鏡(TEM)和JEOL JSEM?7001F 型高分辨掃描電鏡(SEM)對BT16鈦合金絲材和冷鐓試樣進(jìn)行觀察和分析。化學(xué)腐蝕劑配比為2.5 mL Hf+3 mL HNO3+5 mL HCl+89.5 mL H2O。

表1 BT16鈦合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of BT16 alloy (mass fraction, %)

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄錠和熱鍛棒微觀組織

圖1所示為BT16鈦合金鑄錠和熱鍛棒的微觀組織。BT16鈦合金鑄錠是α+β兩相組織，粗大β晶內(nèi)α相以樹枝狀形式存在，部分α相沿粗大β晶界分布(見圖1(a)和(b))；BT16合金的再結(jié)晶溫度范圍為840～860 ℃[2]，因此，開坯開始溫度選為1 150 ℃，終了溫度控制在800 ℃左右，之后空冷，鍛坯含有粗大β晶粒，在其晶內(nèi)和邊界均有細(xì)小片狀α相不均勻析出(見圖1(c)和(d))；直徑為55 mm的熱鍛棒材中，形成等軸的β晶粒，其平均尺寸為150 μm，在其邊界和晶內(nèi)均有細(xì)小α相不均勻析出，如圖1(e)和(f)所示。

圖1 BT16鈦合金鑄錠和熱鍛棒的微觀組織Fig. 1 Micrographs of ingot and hot-forged BT16 alloy rods: (a), (b) OM, SEM images of ingot, respectively; (c), (d) OM images of hot-forged billet; (e), (f) OM images of forged and annealed rods with 55 mm diameter

2.2 絲材微觀組織和力學(xué)性能

表2所列為BT16鈦合金絲材的力學(xué)性能如表2所列。從表2可見，退火態(tài)BT16鈦合金絲材(d6.5 mm)的拉伸性能為σb為870～935 MPa，δ為22%～25%，ψ為62%～ 65%，均滿足俄羅斯ГОСТ1497—84標(biāo)準(zhǔn)對BT16鈦合金緊固件冷鐓成形性能要求。經(jīng)780 ℃、2 h+550 ℃、AC退火處理的BT16合金絲材冷鐓變形量達(dá)到80%，和文獻(xiàn)[13]中冷鐓極限值一致，試樣形狀完整，未見任何開裂和表面微裂紋，如圖2所示。

圖2 BT16鈦合金絲材冷鐓試樣照片F(xiàn)ig. 2 Photos of cold upsetting specimen of BT16 alloy: (a) Without deformation; (b) With 80% deformation

表2 BT16鈦合金絲材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of titanium alloy BT16 wires

圖3 直徑6.5 mm BT16鈦合金絲材的微觀組織Fig. 3 Microstructures of 6.5 mm-diameter rolled wires: (a), (b) OM and SEM images of samples annealed at 780 ℃, 2 h+550 ℃, AC, respectively; (c) TEM image; (d) SEM image of tensile fracture

圖3所示為BT16鈦合金絲材的微觀組織。在絲材熱軋過程中，如果加熱溫度在Tα～Tβ之間，那么片狀α晶粒將發(fā)生球化，形成細(xì)等軸晶粒，因此，熱軋終了溫度應(yīng)控制在α+β兩相區(qū)間。在合金絲材磨光前進(jìn)行退火處理，由于BT16合金的再結(jié)晶溫度范圍為840～860 ℃，本實(shí)驗(yàn)選用熱處理工藝制度如下：760～800 ℃保溫2 h, 爐冷至550 ℃，再空冷。退火絲材是由均勻分布的細(xì)小近等軸α和β兩相組成，其晶粒大小為1～3 μm，如圖3(a)～3(c)所示。拉伸斷口具有典型的分布均勻的細(xì)小韌窩，呈韌性斷裂，具有良好的塑性(見圖3(d))。

2.3 固溶時效處理和顯微組織

由文獻(xiàn)[3]可知，與退火態(tài)相比，固溶+時效后的BT16合金的性能得到強(qiáng)化，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1 000～1 200 MPa，盡管伸長率降為12%～16%，其斷面收縮率仍大于60%。由于鉬和釩的含量相當(dāng)高，BT16合金在固溶+時效過程中可有效地強(qiáng)化，因此，本文作者將研究該合金固溶+時效后的組織結(jié)構(gòu)特征。實(shí)驗(yàn)中固溶時效工藝制度如下：

1) 空冷+時效制度：隨爐加熱到800 ℃、保溫2 h，空冷，500 ℃、6 h，空冷，即800 ℃、2 h、AC+500 ℃、6 h、AC；

2) 淬火+時效制度：隨爐加熱到800 ℃保溫2 h，水冷，550 ℃、6 h，空冷，即800 ℃、2 h、WQ+550 ℃、6 h、AC。

圖4(a)～(c)所示為固溶(空冷)+時效BT16合金的微觀組織。合金由均勻分布的α相和β相組成的雙態(tài)等軸組織組成(見圖4(a))?？绽?時效后，合金中仍保持細(xì)小片狀和不規(guī)則的等軸初生α相，同時β相內(nèi)析出大量細(xì)小分布的不均勻針狀次生α′相，如圖4(b)和(c)所示。一方面，加熱到800 ℃時(近α+β區(qū)域)，合金中仍保留大部分的初生α相；另一方面，在時效過程中，β相內(nèi)析出大量細(xì)小的針狀次生α′相，即發(fā)生如下轉(zhuǎn)變：β→β＋α′。

圖4(d)～(f)所示為淬火(固溶)+時效BT16合金的微觀組織。固溶時效后合金由等軸α相和晶間β相構(gòu)成的雙態(tài)組織組成，即由初生α相、晶間β相和β相內(nèi)析出的針狀α′相組成。此時，析出的次生α′相比空冷+時效過程中析出的更加細(xì)小(見圖4(c)和(f))。其原因如下：1)α+β相區(qū)淬火時，部分β相分解成針狀馬氏體α′相，α′相分布在初生α相間的中間層(即β相內(nèi))，發(fā)生無擴(kuò)散型相變形成的合金元素處于六方結(jié)構(gòu)α中的過飽和固溶體；2)時效過程中馬氏體分解成細(xì)小的α′相和β相。

3 討論

鈦合金B(yǎng)T16是一種高強(qiáng)、新型的馬氏體型α+β鈦合金，退火或淬火狀態(tài)下都具有較高的塑性，即在退火狀態(tài)下強(qiáng)度低，塑性特別好；在固溶+時效狀態(tài)下，強(qiáng)度較高，塑性降低不明顯[3]，如表2和3所列。

圖4 固溶時效后BT16合金絲材顯微組織Fig. 4 Microstructures of BT16 alloy wires after solution and aging: (a), (b), (c) OM and TEM images for (800 ℃, 2 h, AC)+ (500 ℃, 6 h, AC), respectively; (d), (e), (f) OM and TEM images for (800 ℃, 2 h, WQ)+(550 ℃, 6 h, AC), respectively

圖5 (800 ℃, 2 h, AC)+(500 ℃, 6 h, AC)固溶時效后BT16合金的SEM像及EDS譜Fig. 5 SEM images((a), (b)) and EDS spectra((a′), (b′)) of BT16 alloy after solution and aged under (800 ℃, 2 h, AC)+(500 ℃, 6 h, AC): (a), (a′)βphase; (b), (b′)αphase

將BT16和TC4兩種鈦合金分別在750～800 ℃和780～820 ℃溫度區(qū)間進(jìn)行淬火處理[14?15]，即在α+β區(qū)淬火處理，組織中含有大量α″馬氏體和亞穩(wěn)β相，但沒有發(fā)現(xiàn)ω相的存在，含α″相淬火鈦合金具有較低的屈服強(qiáng)度，其原因是合金中的亞穩(wěn)β相導(dǎo)致剪切模量降低，當(dāng)β穩(wěn)定元素(5%～9% Mo)含量增加時，針狀α′相數(shù)量減少，板狀α″相數(shù)量增加。本實(shí)驗(yàn)中兩種固溶+時效處理后合金中均未發(fā)現(xiàn)板狀α″相(見圖4)。固溶時效合金EDS分析表明，β穩(wěn)定元素(Mo)存在于β相中，而α相中未發(fā)現(xiàn)Mo的存在(見圖5)。

表3 不同熱處理BT16合金力學(xué)性能[3]Table 3 Mechanical properties of BT16 alloy after different heat treatments[3]

4 結(jié)論

1) BT16合金絲材退火制度如下：760～830?C、2 h+ 550 ℃、空冷。所得絲材的力學(xué)性能如下：σb為870～935 MPa，δ為22%～25%，ψ為62%～65%，其冷鐓變形量達(dá)到80%，退火后合金組織由初生等軸α相、少量短條狀α相及晶間β相組成。

2) 固溶(空冷)+時效后，合金組織由不規(guī)則的等軸狀初生α相和析出針狀α′相的β相組成；固溶(淬火)+時效后，合金由等軸α相和晶間β相構(gòu)成的雙態(tài)組織，即由初生α相、晶間β相及β相內(nèi)析出的針狀α′相組成。

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(編輯 龍懷中)

Microstructures and mechanical properties of Ti-3Al-5Mo-4.5V titanium alloy for cold upsetting fasteners

ZHANG Qing-lai1, KUANG Yan-rui1, HAN Yin-ben2, HAN Wei-dong3, FENG Tian-tian1
(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China; 3. Baoji Boxin Metal Materials Co., Ltd., Baoji 721013, China)

The microstructure evolution of titanium alloy BT16 during the preparation wires were investigated by transmission electron microscopy, scanning electronic microscopy and optical microscopy. The results show that BT16 alloy annealed wires have excellent mechanical properties with area reduction (Ψ) of 62%?65% and cold heading deformation amount of 80%. After annealing, the alloy microstructure consists of primary equiaxialαphases, a few short-barα′ phases and intergranularβphases. The microstructure of solid-aged alloy is composed of irregularl equiaxial primaryαphases andβphases which precipitate needleα′ phases, while the needleα′ phases in the quench-aged alloy are smaller.

BT16 titanium alloy; microstructure; cold upsetting fasteners; solution; aging; mechanical properties

TG146.4

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175231)

2011-03-06；

2012-09-22

張青來，教授，博士；電話：051-188797324；E-mail: zhangql196210@163.com

1004-0609(2012)10-2756-06