王清瑞，沙愛(ài)學(xué)，黃利軍，黃 旭

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、艦船等領(lǐng)域[1-3]。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金緊固件的用量越來(lái)越大。在同樣的強(qiáng)度指標(biāo)下，相比鋼制緊固件，鈦合金緊固件減重30%～40%[4，5]。波音747飛機(jī)上以鈦制緊固件代替鋼制緊固件后，其結(jié)構(gòu)重量減輕1814 kg；美國(guó)C-5A飛機(jī)采用鈦合金螺栓后，減重約1000 kg；俄羅斯伊爾96飛機(jī)上所使用的鈦標(biāo)準(zhǔn)件達(dá)14.2萬(wàn)件，減重約600 kg。同時(shí)，TC4鈦合金與Ti-45Nb合金搭配，制成的雙金屬鉚釘已經(jīng)在空客和波音飛機(jī)上獲得大量應(yīng)用[6-8]。鈦合金緊固件還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其正電位性能與碳纖維復(fù)合材料相匹配，能夠有效防止緊固件的電偶腐蝕。目前，鈦合金緊固件已經(jīng)成為先進(jìn)民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)必不可少的關(guān)鍵材料[9-14]。

TC4鈦合金是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的鈦合金，也是航空緊固件使用最為普遍的鈦合金。前期研究表明，顯微組織參數(shù)對(duì)TC4鈦合金的拉伸性能以及疲勞性能有著顯著影響[15-17]。但關(guān)于不同類(lèi)型顯微組織對(duì)TC4鈦合金拉伸、疲勞等綜合性能影響的研究尚不透徹，而這些恰好是緊固件制造最為關(guān)心的問(wèn)題。為此，研究了TC4鈦合金絲材不同微觀組織類(lèi)型對(duì)其力學(xué)性能的影響，以期為生產(chǎn)企業(yè)合理選擇TC4鈦合金緊固件的熱處理制度提供一定的參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)α+β兩相區(qū)軋制變形的規(guī)格為φ20 mm的TC4鈦合金絲材，其相變點(diǎn)為992 ℃。按照表1中3種不同工藝對(duì)TC4鈦合金絲材進(jìn)行熱處理，分別獲得等軸、雙態(tài)、片層3種典型組織。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀組織。采用Instron-4507萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。采用SEM-SERVO原位疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R=0.1。

表1 TC4鈦合金絲材的熱處理工藝

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織特征

TC4鈦合金絲材經(jīng)相變點(diǎn)以下(820 ℃)熱處理獲得等軸組織，其TEM照片如圖1所示。

圖1 TC4鈦合金絲材等軸組織的TEM照片

TC4鈦合金經(jīng)過(guò)大變形量軋制后，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)得到充分的變形和破碎，獲得的等軸晶粒均勻細(xì)小，α晶粒尺寸約為1 μm(圖1a)。進(jìn)一步觀察，大部分等軸晶粒內(nèi)位錯(cuò)聚集，位錯(cuò)密度較高，或排列整齊或交織成網(wǎng)狀(圖1b)，這些都反映了α相形變的特征。等軸組織內(nèi)部存在大量亞晶界，α相本身沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶(圖1c)。TC4鈦合金形變加工和熱處理過(guò)程中，晶粒不斷細(xì)化，晶界面積不斷增加，以致阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙越來(lái)越多，位錯(cuò)密度增大，從而起到增加材料強(qiáng)度的效果。

圖2為T(mén)C4鈦合金絲材經(jīng)固溶時(shí)效處理后雙態(tài)組織的SEM照片,其球狀初生α相尺寸約為10 μm。圖3為T(mén)C4鈦合金絲材雙態(tài)組織的TEM照片。在雙態(tài)組織中，相鄰的球狀α相之間依然存在一定數(shù)量的亞晶界(圖3a)。球狀α相內(nèi)位錯(cuò)密度不高，少量位錯(cuò)排列成位錯(cuò)墻(圖3b)。排列整齊的位錯(cuò)墻及低的位錯(cuò)密度表明，α相發(fā)生了靜態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。片狀α相內(nèi)及α/β相界面上仍有一定數(shù)量的位錯(cuò)(圖3c)，但是與等軸組織相比，位錯(cuò)密度顯著下降。

圖2 TC4鈦合金絲材雙態(tài)組織的SEM照片

圖3 TC4鈦合金絲材雙態(tài)組織的TEM照片

TC4鈦合金絲材在相變點(diǎn)以上(1020 ℃)熱處理獲得片層組織，其TEM照片如圖4所示。在相變點(diǎn)以上經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保溫，TC4鈦合金絲材片層組織的β晶粒不斷長(zhǎng)大，平均尺寸約為300 μm。在單個(gè)β晶粒內(nèi)可以看到不同方向的α集束(圖4b)，α片的厚度平均約為1 μm，不同方向的片狀α相內(nèi)及α/β相界面上仍有一定數(shù)量的位錯(cuò)(圖4c)，但位錯(cuò)密度較低。

圖4 TC4鈦合金絲材片層組織的TEM照片

2.2 顯微組織類(lèi)型對(duì)力學(xué)性能的影響

表2為不同顯微組織TC4鈦合金絲材的室溫拉伸性能。從表2可以看出，等軸組織TC4鈦合金絲材的強(qiáng)度最高，這是由于原始等軸組織α晶粒細(xì)小且具有較高的位錯(cuò)密度。塑性方面，雙態(tài)組織最好，片層組織最差，這是因?yàn)槠瑢咏M織原始β晶粒粗大，滑移系少，變形協(xié)調(diào)能力較弱，導(dǎo)致其塑性較低。

表2 不同顯微組織TC4鈦合金絲材的拉伸性能

表3為應(yīng)力比R=0.1時(shí)3種顯微組織的TC4鈦合金絲材的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果。其中，σmax為最大加載應(yīng)力。圖5為不同顯微組織TC4鈦合金絲材疲勞試樣在不同循環(huán)周次下的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)裂紋尺寸<250 μm時(shí)，不同顯微組織TC4鈦合金絲材對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率有很大差異，片層組織的擴(kuò)展速率最低，等軸組織最高。但當(dāng)裂紋長(zhǎng)度>250 μm時(shí)，3種組織的裂紋擴(kuò)展速率無(wú)顯著差異。等軸組織初始位錯(cuò)密度較高，當(dāng)裂紋遇到等軸α相時(shí)直接穿過(guò)，α相界存在的少量殘余β相對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的阻礙作用較小，因而疲勞壽命較低。片層組織的疲勞壽命最高，這是由于片層組織能夠改變裂紋擴(kuò)展方向以及產(chǎn)生二次微裂紋分支。裂紋擴(kuò)展中遇到塑性較好的β相時(shí)，擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，改為沿α/β相界面進(jìn)行，從而使得裂紋總長(zhǎng)度增加，消耗的能量也相應(yīng)增加，疲勞壽命增大。片層組織的疲勞壽命與β相的厚度密切相關(guān)，只有當(dāng)β相的厚度足夠大時(shí)，才能夠吸收裂紋尖端塑性變形過(guò)程產(chǎn)生的能量從而延緩裂紋擴(kuò)展速率。對(duì)于雙態(tài)組織，通過(guò)增加片狀α相的體積分?jǐn)?shù)(通過(guò)提高變形溫度或在兩相區(qū)較高溫度熱處理)可增大裂紋擴(kuò)展抗力，提高疲勞性能。綜合考慮TC4鈦合金絲材的力學(xué)性能和工藝塑性，應(yīng)選擇雙態(tài)組織作為產(chǎn)品的最終組織狀態(tài)。

表3 TC4鈦合金絲材的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖5 TC4鈦合金絲材疲勞試樣的裂紋長(zhǎng)度隨循環(huán)周次的變化曲線

3 結(jié) 論

(1) TC4鈦合金絲材經(jīng)不同工藝熱處理后得到的3種不同顯微組織中，等軸組織α晶粒最為細(xì)小且具有較高的位錯(cuò)密度，表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度；雙態(tài)組織中存在不同形態(tài)的α相，具有最好的塑性；片層組織原始β晶粒粗大，塑性最低。

(2) 片層組織TC4鈦合金絲材的疲勞性能最好。當(dāng)疲勞裂紋長(zhǎng)度<250 μm時(shí)，不同顯微組織對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率差異較大，片層組織的擴(kuò)展速率最低，等軸組織最高。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度>250 μm時(shí)，3種顯微組織的裂紋擴(kuò)展速率無(wú)顯著差異。

(3) 綜合考慮TC4鈦合金絲材的力學(xué)性能和工藝塑性，應(yīng)選擇雙態(tài)組織作為產(chǎn)品的最終組織狀態(tài)。