航空航天紧固件用TC16钛合金棒锻造轧制热加工过程的组织演变

前言

TC16钛合金属于Ti-Al-Mo-V 系α+β型高强钛合金，该合金主要在热处理强化状态下使用，其室温拉伸强度极限都在1100MPa 以上，并且TC16在淬火状态下具有良好的塑性，通过强化热处理可获得较高的强度，特别适合制作性能优异的紧固件，已广泛应用于航空航天领域。

近年来，我国航空航天工业迅速发展，国内各大院所也在基础材料与紧固件制造技术方面加强研发力度，并且在我国的改型飞机和新设计的飞机中得到大量应用。因此，有必要分析研究TC16钛合金棒材生产工艺，明确各工艺参数对产品质量的影响规律，并加以严格控制以改进产品质量，扩大应用。

本文将主要分析研究在棒材生产过程中，锻造、轧制等热加工工序中TC16钛合金的组织演变过程。

1、试验材料

本实验所用材料为TC16钛合金1000Kg 铸锭，该铸锭经过三次真空自耗电弧炉熔炼，其规格为⌀450mm×1400mm。材料的化学成分见表1。

通过金相分析法测得试验铸锭的相变点为860℃～865℃。

2、工艺流程

TC16钛合金⌀6mm棒材工艺流程：

原料准备→配混料→压制电极→三次真空自耗熔炼→铸锭化学成分检测→锻造→轧制→退火→检验

3、热加工工艺及加工过程的组织演变

根据上述工艺流程，本文主要分析棒材在锻造及轧制加工过程的组织演变。

3.1 锻造

为了解决加热过程中钛合金导热率低导致的横向温差大和高温下吸气严重的问题，并考虑到钛合金的导热率随着温度的提高而增加的特点，我们采用分段式电炉加热。

为获得晶界α相充分破碎的组织，加热温度的选择原则应该是能够保证热变形在β区开始并在两相区结束，即加热温度应在Tβ以上，但不宜过高，温度过高变形可能在β区结束，将导致晶界α相无法充分破碎。

综上所述，制定的TC16锻造加热工艺如图1所示。

实践表明，变形的两相合金，其组织形成的过程可以分为两个几乎是意义等同的阶段：在变形影响下的组织形成和由于变形后冷却的结果产生的组织形成[5]。

图2 为TC16锻至□ 100mm 水冷后的显微组织。

TC16钛合金紧固件最终产品的显微组织要求是：晶粒细小、组织均匀性好、晶界α相充分破碎、晶内α片细小的组织。变形量的控制方面，如果变形量过大（≥70%），片状组织将发生球化并容易因变形热过大导致组织不均匀；变形量过小（≤30%）则难以保证组织充分细化。

从图2 我们可以看出，坯料在热变形后，由于在变形温度冷至β→α转变开始的温度过程中，α+β合金中不能防止α相的析出，β相晶粒尺寸的增长受到急剧抑止。冷却时析出的晶内α相为片状组织，且区别于再结晶的β相晶粒内的α相组织，其特点是α群或α片的形状有一定程度的拉长，同时析出的α相的结构较为弥散。在低于Tβ温度内，冷却速度的改变主要对析出的α相质点数量和弥散度有影响，增加冷却速度β相晶粒周围的α镶边更细，晶内结构更加细化，但组织的特征不发生改变。为后期热处理效果考虑，锻后水冷能保留金属变形产生的大量晶体缺陷，而这些晶体缺陷在随后的热处理过程中，不仅成为形核的场所，而且缺陷所储存的畸变能为元素扩散提供了激活能。介于此，TC16锻造后的冷却方式采用水冷。

3.2 轧制

根据锻造加热方式的分析和选择原则，钛及钛合金在轧制时应该采用电炉加热。同时考虑到变形热的影响，坯料在轧制时会存在一定的温升，弥补或提高了轧条的温度，因此开轧温度的设定不能过高，过高有可能会导致产品过热出现魏氏组织。

在本次试验中，我们选择在α+β相区加热，温度控制在相变点Tβ以下50℃～150℃。

图3 为TC16轧制时的加热工艺。

轧制试验的变形量的设定根据是否能够实现工业生产的原则，两火次轧制变形工艺分别为□100mm→⌀50mm，⌀50mm→⌀7.8mm。在两相区变形时，晶内α片以及沿晶界α镶边的形状的变化决定于它相对于金属流动方向的初始取向：垂直于金属流向的α片变形最大，平行于该方向的α片拉长、压扁，其它位向的片被弯曲。随着变形量的增加，所有的α片试图与金属流向一致分布。通常变形量超过50%时，原始β晶粒的α镶边基本上与晶内变形的α片形状相同，很难区分。因此，生产实践中，有明显可见的α镶边的显微组织，我们可以认为是变形量不足的表征。

图4 为不同规格轧条显微组织情况。

通过图4，我们能够清楚的发现坯料经过轧制后的显微组织中的α片状结构被变形切割成单个质点（球），从图4 中可以看出切割后的每一个质点的形状和尺寸不是完全相同，且组织致密均匀分布，粗略估量轧制成品规格⌀7.8mm 的晶粒大小在2μm～3μm，基本多边化。

4、结论

(1) β相区加热锻造时采用分段式加热，加热温度应在Tβ以上，但不宜过高。

(2)控制β相区锻造变形量及锻后水冷等工艺要素能够获得弥散分布的细小α片组织。

(3)两相区轧制时加热温度控制在相变点Tβ以下50℃～150℃，采用□100mm→⌀50mm，⌀50mm→⌀7.8mm 的变形过程，能够进一步细化显微组织，并使其球化。

参考文献

[1] 王金友, 葛志明, 周彦邦. 航空用钛合金[ M] . 上海: 上海科学出版社, 1985: 168

[2] Ferrero J, Hutt A, Sweet S. In: Lutjering G, Albrecht Jeds.Ti-2003 Science and Technology[C]. Hamburg:DGM, 2004:385

[3] 沙爱学，王庆如，李兴无. BT16 钛合金紧固件加工工艺分析[J]. 稀有金属材料与工程，2006,35（3）:455-458

[4] 王俊，王玉玲. BT16 钛合金渗氢压缩试样中的剪切带[J]. 航空学报，30（11）:2200-2206