引言

TC16钛合金因其拥有密度幼、强度高、比强度大、耐蚀侵蚀、耐高温，无磁性、退火态拥有优异的塑性和加工成型性，固溶时效态拥有高强、高韧等机能，常被镦造成铆钉、螺钉、螺母等紧固件利用在航空、航天设备上。文章钻研了分歧退火工艺、固溶时效工艺对紧固件用TC16合金?8.0mm棒材组织和力学机能的影响法规，最终确定TC16合金的最佳热处置造度，为紧固件用TC16合金的国产、自主可控化研造及出产奠定数据基础。

TC16钛合金是21世纪初中国在俄造BT16钛合金成分设计基础上开发的一种拥有优良工艺塑性迪胙合金资料，属于α+β两相钛合金，名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，相变点在840~880℃，β不变系数为0.83，拥有高塑性、高强度、优良淬透性、优异的冷镦成型性，同时拥有抗委顿和焊接机能好，对应力集中敏感性幼蹬着点。其中较低的Al提高了合金的强度和热强性，并可使其在退火和淬火状态下拥有优良的塑性，较高的Mo和V使得其淬火并时效热处置后拥有较高强度。该合金不仅能够热镦成型还拥有优良的冷镦机能，是比力成熟的航天紧固件资料，目前宽泛用于航天设备上，用于关键部件和沉要部位的衔接与装配，一架中型飞机(如国产C919)所用的紧固件的总沉量可占飞机总质量的5%~6%，可达200万到300万个。

TC16钛合金常以冷镦热处置的方式进行强化，故要求资料在退火态具优良的塑性，固溶时效态拥有较高的强度。对比俄造BT16钛合金，国产TC16钛合金拥有与其相当的力学机能和工艺塑性，但是，冷镦工艺还不够成熟，无法实现量化出产。钻研批注，资料的冷镦变形能力与塑性、剪切强度及组织有关。且分歧退火及固溶时效工艺对其组织及机能影响较大，因而，本文通过钻研分歧退火工艺及固溶时效工艺对TC16合金棒材组织、机能的影响法规，为紧固件用TC16合金国产化、批量化的研造及出产提供技术支持。

尝试资料和步骤

1、尝试资料

本次尝试所用资料是由宝鸡钛业股份有限公司经屡次次真空自耗熔炼的TC16合金铸锭，坯料经自由锻+精锻、粗轧+连轧等工序出产至?8.0mm线材盘圆，其α+β/β相转变温度为856℃。

GB/T5168-2020《α-β钛合金凹凸倍组织检验步骤》中的步骤加工、侵蚀后，并检测、分析其显微组织。

表1 TC16钛合金棒材热处置尝试规划

其中规划A1~A4钻研分歧退火温度对棒材退火后显微组织及室温力学机能的影响，规划B1~B3钻研分歧固溶温度对棒材固溶时效态组织机能的影响，规划B2、B4、B5、B6钻研分歧时效温度对棒材固溶时效态组织机能的影响。

2、尝试步骤

在TC16钛合金Φ8.0mm盘圆线材上取样，依照表1中的尝试规划进行退火和固溶时效热处置尝试，钻研分歧退火工艺和固溶时效工艺对棒材退火态及固溶时效态显微组织和力学机能的影响，其中，FC为炉冷;AC为空冷;WQ为水淬。试样经热处置后凭据GB/T228.1-2021《金属资料室温拉伸尝试步骤》加工、检测室温力学机能，凭据GB/T5168-2020《α-β钛合金凹凸倍组织检验步骤》中的步骤加工、侵蚀后，并检测、分析其显微组织。

尝试了局与分析

1、退火温度对TC16钛合金棒材组织机能的影响

退火温度对TC16钛合金组织的影响

图3为TC16钛合金棒材分歧退火温度随炉冷却后的显微组织,由图3能够看出随退火温度的升高，显微组织中初生α相的含量逐步削减，晶粒逐步长大。图3(a)和3(b)别离为试样在760和780℃退火后的显微组织，为a相和β相组成的弥散混合组织，均匀晶粒大幼为1.22μm。图3(c)和3(d)别离为试样在800和820℃退火后的显微组织，由等轴初生α相与部门片层状的次生α'相及β基体组成，与图3(a)和3(b)相比，图3(c)和3(d)中的晶粒显著长大，部门出现少量片层组织，均匀晶粒尺寸由原来的1.22增长至1.33μm。

2、退火温度对TC16钛合金机能的影响

图4为分歧退火温度对TC16钛合金棒材室温机能的影响。

由图4能够看出，随退火温度的升高(随后慢冷)棒材抗拉强度、屈服强度、剪切强度均逐步降低，伸长率逐步升高，断面收缩率先升高再降低。

原由于在α+β两相区退火时棒材产生了回复与再结晶，退火温度越高再结晶后晶粒越粗壮，棒材强度越低。在780℃时棒材抗拉强度达到了840 MPa，断面收缩率达到了最大值74%，钻研批注断面收缩率与资料冷镦机能成正有关，因而，在选择TC16钛合金退火工艺参数时要充分思考到这一点，两全资料强杜纂塑性，出格是保障TC16钛合金棒材的供货状态工艺机能-冷镦机能，因而，TC16合金棒材最佳退火造度为780℃保温2h，以2~4℃/min炉冷至550℃以下，空冷。

3、固溶温度对TC16钛合金棒材固溶时效态组织和机能的影响

固溶温度对TC16钛合金棒材固溶时效态组织的影响

图5为分歧固溶温度固溶时效处置后的TC16钛合金棒材显微组织，图中白色颗粒为初生a相，玄色部门为β基体(蕴含淬火保留下来的亚不变β相和a''相)。由图5(a)~5(c)能够看出，提高TC16钛合金棒材在α+β相区淬火加热温度，其显微组织中初生a相含量削减，β相含量增长，淬火后产生了亚不变β相向α"相转变。随固溶温度的升高，棒材固溶后淬火时保留的亚不变相β相和α''含量就越多，随后时效的强化成效也就越显著。图5(c)较图5(a)和(b)其初生a相含量显著削减，时效析出的针状第二相含量增多。

4、固溶温度对TC16钛合金棒材固溶时效后机能的影响

图6所示为分歧固溶温度固溶时效处置后的TC16钛合金棒材室温力学机能，能够看出，随着固溶温度升高，棒材固溶时效态的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均升高，伸长率降低，断面收缩率先升高再降低。在800℃时棒材断面收缩率达到了最高值74%，抗拉强度达到了1098MPa，剪切强度达758 MPa，强杜纂塑性达到了最佳匹配，故TC16钛合金棒材的最佳固溶造度为800℃保温2h,水淬。

5、时效温度对TC16钛合金棒材固溶时效态组织机能的影响

时效温度对TC16钛合金棒材组织的影响

图7所示为分歧时效温度固溶时效处置后的TC16钛合金棒材显微组织,由图7能够看出,随着时效温度升高，固溶过程中保留的亚不变β相转变而形成的质点的弥散水平也各不一样，520℃时效从亚不变β相分化的第二相比力弥散，如图7(a)所示。随着时效温度的升高，弥散析出的第二相质点起头荟萃，如图7(c)和7(d)所示，钻研批注TC16钛合金亚不变相分化从350~400℃起头，500℃时效后亚不变β相齐全分化，但不变动β相迪脞、钒含量比在较低温度下得到平衡的β相的少。

时效温度对TC16钛合金棒材机能的影响

图8为时效温度对TC16钛合金棒材固溶时效态室温力学机能的影响，由图8能够看出，随着时效温度的升高，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度逐步降低，伸长率逐步升高，断面收缩率先升高后降低。这是由于时效时亚不变β相分化引起时效强化，但随着固溶温度从520升高至580°C弥散析出的质点产生了较大水平的荟萃，使得强度逐步降低，塑性升高。时效温度为560℃时棒材的断面收缩率达到了最高值74%，抗拉强度达到了1098MPa，剪切强度达到了758MPa。因而，800°C固溶后经560℃保温8h时效，能够使TC16钛合金棒材强度和塑性达到最佳匹配。

结论

(1)TC16钛合金棒材在退火后以2~4°C/min炉冷的冷却速度不变的情况下，随退火温度的升高，组织中初生α相含量削减、均匀晶粒尺寸增长，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均降低，伸长率略有升高，断面收缩率先升高后降低。780℃退火后棒材的断面收缩率达到了最高值。

(2)在时效温度不变的情况下，随固溶温度的升高，TC16合金棒材固溶时效后组织中初生α相含量削减，次生相含量增长，室温拉伸强度、剪切强度升高，伸长率降低，断面收缩率先升高再降低，在800℃时达到了最高值。

(3)在固溶温度不变的情况下，随着时效温度的升高，TC16合金棒材组织中的弥散析出的第二相起头荟萃，室温拉伸强度、剪切强度降低，伸长率升高，断面收缩率先升高再降低。经“800°C保温2h，水淬+560°C保温8h，空冷”固溶时效处置后棒材抗拉强度达到了1100MPa，断面收缩率达到了74%，强度和塑性达到了最佳匹配，为TC16钛合金棒材的最佳固溶时效造度。

参考文件

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（注，原文标题：热处置对航空紧固件用TC16钛合金棒材组织机能的影响_黄帆）