鈦合金緊固件在飛機上使用不僅可以達到減重、耐腐蝕的目的,而且是鈦合金構件與碳纖維復合材料構件連接的最佳連接件[1,2]。TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)鈦合金屬于α+β兩相合金,通過熱軋或熱拉拔加工成棒材和絲材,大量用于制備航空緊固件[3-5]。退火態(tài)TC16鈦合金棒材或絲材具有良好的冷加工塑性,其室溫冷鐓比達到1∶4,冷鐓后可直接使用或固溶時效后使用[6-8]。張青來等[9-11]對TC16鈦合金熔煉工藝、鍛造、熱軋、熱處理規(guī)范以及組織性能和冷鐓成形等方面進行了大量的前期實驗研究,所研制的TC16熱軋棒材經(jīng)退火處理后具有優(yōu)異的室溫成形性能,如斷面收縮率達到64%,冷鐓變形量達到80%。冷變形對材料力學性能具有明顯的影響,如冷變形量的增加致使BT-14和近α型TC2鈦合金板材抗拉強度和硬度得以提高[12,13]。經(jīng)檢索,國內(nèi)關于α+β兩相TC16鈦合金的研究主要集中在其棒材和絲材的加工方面,鮮有關于其冷軋板材軋制的報道。

以TC16鈦合金熱軋棒材為研究對象,通過冷軋實驗研究TC16鈦合金冷軋成形性能,分析冷軋板材的組織與力學性能,為今后TC16鈦合金板材冷軋工藝開發(fā)提供必要的技術支持。

1、實驗

采用真空自耗電極熔化爐3次重熔制備直徑為210mm的TC16鈦合金鑄錠,其化學成分如表1所示。鑄錠在β相區(qū)開坯,開始和結束溫度分別控制在1150和800℃左右,之后熱鍛和軋制成直徑為7.72mm的棒材。為了提高TC16鈦合金棒材的冷鐓性能,根據(jù)前期的研究結果,本實驗首先對TC16鈦合金棒材進行退火處理:將熱軋棒材加熱至780℃,保溫2h后,隨爐冷卻至500℃時空冷。利用磨床去除熱處理棒材表面氧化層。經(jīng)拉伸和冷頂鍛試驗,退火態(tài)TC16鈦合金棒材性能如表2所示。

采用兩輥軋機對直徑為7.72mm的退火態(tài)TC16合金棒材進行縱向多道次冷軋板材試制試驗,以觀察合金冷軋成形性能和冷軋變形量對其組織與性能的影響。

從冷軋板材上截取試樣。金相試樣經(jīng)過鑲嵌、粗磨、精磨和拋光,采用Kroll試劑(HF、HNO3和H2O按體積比1∶2∶50混合)腐蝕。利用LEICADM2500M型正置光學顯微鏡(OM)和JEOLJSEM-7001F型高分辨掃描電鏡(SEM)觀察和分析材料的微觀組織。由于冷軋板材尺寸限制,拉伸試樣采用非標準,其尺寸(mm)如圖1所示。拉伸性能測試采用KX-WDW3200萬能試驗機完成。使用HVS-1000Z型自動轉塔數(shù)顯顯微硬度計,沿板材橫斷面取3~5個點測量顯微硬度,加載載荷為4.9N,保壓時間為15s。

利用D8ADVANCE型X射線衍射儀對試樣進行物相分析,采用2θ角連續(xù)掃描模式,電壓和電流分別為40kV和200mA,掃描速度為4°/min,掃描范圍為30°~90°。

2、結果與分析

2.1冷軋實驗結果

退火態(tài)TC16合金的縱向多道次冷軋板材試制結果表明,當冷變形量為73%時,僅在冷軋板材頭部出現(xiàn)微裂紋(見圖2a),板材其他部位未見任何缺陷出現(xiàn);冷變形量達到79%時,板材頭部裂紋向內(nèi)擴展(見圖2b),即冷軋變形達到極限,與前期該合金冷鐓極限變形量80%[10]結果吻合。因此,對TC16鈦合金進行適當?shù)耐嘶鹛幚?利用其優(yōu)異的冷鐓成形性能,完全可以實施冷軋加工,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱軋工藝。

2.2微觀組織

圖3所示為不同冷軋變形量后TC16冷軋板材SEM照片。退火后的熱軋TC16鈦合金棒材組織由細小的等軸α晶粒和β相組成,如圖3a所示。經(jīng)過冷軋后,隨著冷軋變形量的增加,α晶粒沿軋制方向逐漸被拉長、破碎,最后完全變成纖維狀。當冷軋變形量為18%時,合金內(nèi)組織變形不均勻,由原始的等軸α晶粒和彎曲交錯狀α晶粒以及β相組成,如圖3b所示;當冷軋變形量為39%~47%時,等軸α晶粒被拉長,存有一定數(shù)量的未充分變形的α晶粒,如圖3c和3d所示;當冷軋變形量為73%~79%時,等軸α晶粒完全被拉長成纖維狀,但仍存

有極少量的未充分變形的α晶粒,且組織分布均勻,如圖3e和3f所示。

圖4為TC16冷軋板材的金相組織。由圖4可見,冷軋板材組織為與壓縮軸線方向垂直的纖維狀組織;隨著冷軋變形量的增加,β相比例增加,特別是冷軋變形量達到73%以后,可觀察到明顯的黑色帶狀組織,這些黑色帶狀組織幾乎全部為β相。β或亞穩(wěn)β鈦合金劇烈冷軋變形后,組織中除了纖維組織和孿晶外,在高倍透射電鏡(TEM)下還可觀察到形成的高密度位錯[14,15]。

2.3XRD物相分析

圖5為不同冷軋變形量TC16冷軋板材的XRD圖譜。從圖5可以看出,冷變形量為18%時,在2θ角56°附近出現(xiàn)少量的α″馬氏體相[16];變形量大于73%時,α相和β相峰值強度均得到增強,除了56°附近出現(xiàn)少量的α″馬氏體相外,在45°附近發(fā)現(xiàn)新的α″馬氏體相峰,其峰強度隨著變形增加而增強,說明在劇烈的冷變形后產(chǎn)生了數(shù)量較多的α″馬氏體相。

2.4顯微硬度和力學性能

2.4.1顯微硬度

為了說明冷變形對TC16鈦合金強化的影響,在冷軋過程中對不同冷軋變形量板材分別取樣進行顯微硬度測試,結果如圖6所示。由圖6可見,TC16冷軋板材顯微硬度隨冷軋變形量增大而增加,發(fā)生了冷變形強化,其強化程度取決于變形量大小[17]。

當冷變形量為39%時,維氏顯微硬度為3.07GPa,相比原始態(tài)顯微硬度(2.96GPa)提高了3.72%;此時應力誘發(fā)的α″馬氏體相含量很少(見圖5),對其硬度影響較小;之后顯微硬度快速增加,當冷變形量為73%時,顯微硬度為3.40GPa,增加了14.86%,合金板材獲得了明顯的冷形變強化。除了冷加工硬化和形成的高密度位錯外,產(chǎn)生的數(shù)量較多的α″馬氏體相也是其影響因素之一。

2.4.2力學性能

圖7為不同變形量TC16鈦合金板材的室溫拉伸應力-應變曲線。由圖7可觀察到,熱軋棒材經(jīng)780℃保溫2h,隨爐冷卻至500℃空冷后,其室溫拉伸應力隨應變的增加快速達到最大應力(900MPa),之后隨應變增加而緩慢減小,發(fā)生明顯的縮頸,最后斷裂,延伸率和斷面收縮率分別達到16%和64%。不同變形量的冷軋板材室溫拉伸應力-應變曲線出現(xiàn)“雙屈服”現(xiàn)象(圖7中箭頭所示),第一屈服點“A”是由于少量的亞穩(wěn)β相在應力驅使下轉變成α″馬氏體,即β→α″馬氏體相變;隨著應變的增加,生成新的α″馬氏體所需要的應力超過了α相或β相屈服強度,應力誘發(fā)相變停止,出現(xiàn)第二屈服點“B”。

隨著冷軋變形量的增加,抗拉強度(最大應力)相應增加,獲得不同程度的應變強化。當冷變形量為73%時,冷軋板材拉伸斷面收縮率為43.85%,伸長率則為15.96%,抗拉強度為1098.7MPa(約提高22%)。TC16冷軋板材得到明顯的加工硬化(形變強化),這主要是由于劇烈的冷變形后形成的纖維結構、高密度位錯和應變誘發(fā)形成的α″馬氏體相所致。

3、結論

(1)利用退火態(tài)TC16鈦合金優(yōu)異的冷鐓性能,對其進行多道次冷軋試制,最大冷軋變形量達到79%,此時板材表面無任何缺陷,僅在板材端部出現(xiàn)裂紋。因此,α+β型TC16板材冷軋加工是可行的。

(2)隨著冷軋變形量的增加,α晶粒沿軋制方向逐漸被拉長、破碎,最后完全變成纖維狀。當冷軋變形量大于73%時,形成分布均勻的纖維狀組織,組織中有極少量未充分變形的α晶粒,并產(chǎn)生因劇烈應變誘導的α″馬氏體相。

(3)TC16冷軋鈦板材室溫拉伸應力-應變曲線出現(xiàn)“雙屈服”現(xiàn)象,即發(fā)生β→α″馬氏體相。冷變形量為73%時,合金抗拉強度和顯微硬度分別提高了約為22%和14.86%,得到明顯的冷形變強化。

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