不同加工狀態(tài)鈦鈮絲對(duì)其鉚釘組織和性能的影響

翟翠芬，侯峰起，樊開(kāi)倫，張 鵬，王飛云，王凱旋，劉向宏

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110850)

(2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司貴州分公司，貴州 遵義 563006)

不同加工狀態(tài)鈦鈮絲對(duì)其鉚釘組織和性能的影響

翟翠芬1，侯峰起2，樊開(kāi)倫3，張 鵬2，王飛云2，王凱旋2，劉向宏2

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110850)

(2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

(3.航天精工有限公司貴州分公司，貴州 遵義 563006)

研究了加工態(tài)絲材和退火態(tài)絲材所加工的Ti45Nb合金鉚釘?shù)慕M織及性能。冷拉拔加工態(tài)鈦鈮絲材抗拉強(qiáng)度為680 MPa，剪切強(qiáng)度為390 MPa，且塑性良好，延伸率A為20%，斷面收縮率Z為80%，具有良好加工性能。加工態(tài)絲材經(jīng)退火后，組織實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶，抗拉強(qiáng)度降低至550 MPa，塑性有所提高，延伸率A達(dá)到30%。兩種狀態(tài)絲材經(jīng)冷鐓加工成鉚釘后，與絲材相比，剪切強(qiáng)度均增高，這與冷鐓加工造成加工硬化有關(guān);而對(duì)鉚釘進(jìn)行退火后，剪切強(qiáng)度均降低，且加工態(tài)絲材鐓制的鉚釘?shù)募羟行阅芤恢滦詢(xún)?yōu)于退火態(tài)絲材鐓制的鉚釘。

Ti45Nb合金;鉚釘;微觀組織;力學(xué)性能

0 引言

鈦合金因具有較高比強(qiáng)度、良好耐腐蝕性及生物相容性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－5］。近年來(lái)，鈦合金在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多，其用量的多少已成為衡量飛行器先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。在國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)上，鋼緊固件已基本被鈦緊固件所代替，具有明顯的減重效果。飛機(jī)自身重量的降低，對(duì)提高其有效載荷、增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、減少燃料消耗等都具有積極作用［6－7］。此外，因鈦合金與復(fù)合材料的電位相近，能有效防止發(fā)生電偶腐蝕［8］。

作為一種先進(jìn)的航空緊固件用材料，Ti45Nb合金具有塑性好、冷加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)，綜合性能水平優(yōu)于純鈦，非常適合用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的冷鐓鉚接。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)逐步開(kāi)展了鈦鈮絲材及其緊固件加工、應(yīng)用研究，研究重點(diǎn)在于鈦鈮緊固件的綜合性能評(píng)價(jià)［9］，而絲材狀態(tài)對(duì)緊固件性能的影響規(guī)律研究很少。本研究分析、對(duì)比了采用不同狀態(tài)的Ti45Nb合金絲材所加工的鉚釘?shù)慕M織和性能，以及退火處理對(duì)鉚釘組織和性能的影響，旨在探討絲材狀態(tài)對(duì)緊固件性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用φ17 mm的Ti45Nb合金磨光棒為原材料，經(jīng)冷加工得到φ3.9 mm的成品絲材，用于鉚釘鐓制加工。在冷加工態(tài)Ti45Nb合金絲材上截取金相試樣、拉伸試樣和剪切性能試樣。對(duì)部分絲材進(jìn)行真空退火處理，退火溫度為850℃，保溫時(shí)間為1 h，隨爐冷卻至500℃后充氬冷卻。在退火后絲材上截取金相試樣、拉伸試樣和剪切性能試樣。兩種狀態(tài)絲材均利用Z12型自動(dòng)冷鐓機(jī)進(jìn)行鉚釘鐓制。在鐓制的鉚釘尾部(橫向)取金相試樣，并對(duì)鉚釘進(jìn)行剪切性能測(cè)試。鈦鈮鉚釘產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)鐓制加工后，一般需進(jìn)行真空退火、表面處理后交付使用。因此對(duì)兩種鉚釘進(jìn)行了相同制度退火，溫度為850℃，保溫時(shí)間1 h，隨爐冷卻至500℃后充氬冷卻。在退火后的鉚釘尾部(橫向)和頭部(縱向)取金相試樣。

圖1 加工態(tài)及退火態(tài)Ti45Nb合金絲材的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

采用OLYMPUS PMG3金相顯微鏡對(duì)Ti45Nb合金絲材及所加工鉚釘進(jìn)行金相組織分析。用酸液對(duì)鉚釘進(jìn)行腐蝕，觀察其低倍組織。采用Instron1196萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ti45Nb合金絲材進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試和剪切性能測(cè)試，對(duì)所加工的鉚釘進(jìn)行剪切性能測(cè)試，拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率為1×10－3s－1，剪切試驗(yàn)加載速率為18 kN/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 絲材的組織和性能

圖1為φ3.9 mm絲材加工態(tài)及退火態(tài)的橫、縱向金相組織照片。從圖1可以看出，加工態(tài)絲材為明顯的變形組織;橫向照片上，邊部、心部組織均勻一致，縱向晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)。退火后，絲材橫、縱向組織完全再結(jié)晶，等軸化程度良好，平均晶粒度級(jí)別均可達(dá)到6級(jí)以上，且縱向組織存在明顯流線(xiàn)。

圖2為φ3.9 mm絲材加工態(tài)及退火態(tài)室溫拉伸性能對(duì)比。經(jīng)過(guò)90%以上冷加工變形，Ti45Nb合金絲材加工態(tài)強(qiáng)度為680 MPa，剪切強(qiáng)度為390 MPa，且塑性良好，延伸率可達(dá)20%，斷面收縮率為80%，保證了進(jìn)一步冷加工變形能力。退火后，絲材拉伸強(qiáng)度為550 MPa，較退火前明顯降低，延伸率略有提升，達(dá)到30%，而斷面收縮率變化不明顯。這說(shuō)明絲材經(jīng)較大變形量的冷加工后，加工硬化程度較弱，塑性性能損失較低，仍具有較好的變形能力，退火過(guò)程對(duì)改善絲材變形能力的作用不明顯。兩種狀態(tài)的絲材均具有可進(jìn)一步進(jìn)行冷加工的強(qiáng)度及塑性水平。

圖2 加工態(tài)及退火態(tài)Ti45Nb合金絲材的力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of the cold drawn and annealed Ti45Nb alloy wires

2.2 兩種狀態(tài)絲材所鐓制鉚釘?shù)慕M織及性能

對(duì)加工態(tài)及退火態(tài)Ti45Nb合金絲材進(jìn)行同型號(hào)鉚釘鐓制，并進(jìn)行了高低倍組織及剪切性能的分析對(duì)比。圖3為兩種狀態(tài)絲材所加工鉚釘?shù)牡捅墩掌搬斘膊匡@微組織(橫向)?？梢钥闯?，加工態(tài)絲材所鐓制的鉚釘?shù)母叩捅督M織均勻性更為良好，而退火態(tài)絲材有明顯的變形痕跡。由于鉚釘鐓制為劇烈的不均勻變形過(guò)程，加工態(tài)絲材強(qiáng)度較高、塑性良好，故具有良好變形協(xié)調(diào)性，而退火后絲材強(qiáng)度較低、塑性略好，鐓制過(guò)程中發(fā)生的不均勻流變痕跡更為明顯。

圖3 不同狀態(tài)絲材制備的Ti45Nb合金鉚釘?shù)牡捅督M織及顯微組織Fig.3 Macrostructures and microstructures of the Ti45Nb alloy rivets by cold drawn wire and annealed wire

對(duì)鈦鈮鉚釘而言，剪切性能是其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。圖4為兩種狀態(tài)絲材鐓制后的鉚釘?shù)募羟行阅軐?duì)比?？梢钥闯?，鉚釘剪切強(qiáng)度均較絲材提高約20 MPa，說(shuō)明在鐓制過(guò)程中，釘桿部位也產(chǎn)生了一定程度的加工硬化。整體而言，加工態(tài)絲材及其鐓制的鉚釘?shù)募羟袕?qiáng)度比退火態(tài)絲材及鉚釘高20 MPa，說(shuō)明鐓制過(guò)程產(chǎn)生的加工硬化程度相近。就性能一致性而言，加工態(tài)絲材所鐓制的鉚釘更好，這與其較好的變形過(guò)程協(xié)同性有關(guān)。

2.3 兩種狀態(tài)絲材所鐓制鉚釘退火后的組織及性能

圖4 Ti45Nb合金鉚釘?shù)募羟行阅軐?duì)比Fig.4 Shear strength comparison of the Ti45Nb alloy rivets produced by different wires

圖5為加工態(tài)及退火態(tài)絲材所加工的鉚釘經(jīng)退火后其尾部橫向、頭部縱向的組織?？梢钥闯觯嘶鸷髢煞N鉚釘釘尾的邊部、心部組織均勻性較為良好，但退火態(tài)絲材所加工鉚釘?shù)木ЯＢ燥@粗大。退火態(tài)絲材釘頭的劇烈變形區(qū)域出現(xiàn)較大晶粒，邊部、心部組織差異較大，這是因鐓制變形的不均勻造成區(qū)域變形畸變能差異，退火中的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力不同，而加工態(tài)絲材在鐓制過(guò)程中變形協(xié)調(diào)性更好，故組織更為均勻。

圖5 Ti45Nb合金鉚釘退火后的金相照片F(xiàn)ig.5 Metallographs of the annealed Ti45Nb alloy rivets

圖6 Ti45Nb合金鉚釘退火后的剪切性能對(duì)比Fig.6 Shear strength comparison of the annealed Ti45Nb alloy rivets

圖6為鉚釘退火后的剪切性能?？梢钥闯?，加工態(tài)絲材鐓制的鉚釘，其剪切強(qiáng)度明顯降低，而退火態(tài)絲材鐓制的鉚釘，其剪切強(qiáng)度略有降低。不同鉚釘剪切強(qiáng)度變化的差異可能由于鉚釘桿部在加工、退火過(guò)程中的變形及再結(jié)晶織構(gòu)變化不同造成，需進(jìn)一步進(jìn)行深入分析。此外，與鐓制后鉚釘?shù)募羟行阅軐?duì)比結(jié)果一致，退火后，加工態(tài)絲材所鐓制鉚釘?shù)男阅芤恢滦砸矁?yōu)于退火態(tài)絲材鐓制的鉚釘，同樣可歸因于良好的組織均勻性。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)較大變形量加工的φ3.9 mm Ti45Nb合金絲材的抗拉強(qiáng)度約為680 MPa，塑性良好，延伸率及斷面收縮率與退火后性能水平相當(dāng)，具有良好的冷鐓加工性能。

(2)兩種狀態(tài)絲材所加工鉚釘均可達(dá)到應(yīng)用需求的理想性能水平，均可實(shí)現(xiàn)良好應(yīng)用。但與退火態(tài)絲材相比，加工態(tài)絲材所鐓制的鉚釘?shù)慕M織更為均勻，性能一致性也更好。

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Effect of Ti45Nb Wires under Different Processing States on the Microstructure and Mechanical Properties of the Rivets

Zhai Cuifen1，Hou Fengqi2，F(xiàn)an Kailun3，Zhang Peng2，Wang Feiyun2，Wang Kaixuan2，Liu Xianghong2
(1.Shenyang Aircraft Industry Corporation，Shenyang 110850，China)
(2.Western Superconducting Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China)
(3.Guizhou Aerospace Precision Products Co.，Ltd.，Zhunyi 563006，China)

The microstructure and mechanical properties of Ti45Nb rivets produced by different wires(cold drawn and annealed)were researched in this paper.The cold drawn Ti45Nb wires with ultimate tensile strength of 680 MPa，shear strength of 390 MPa，elongation ratio of 20%and the reduction of area of 80%，have ideal cold process ability.Annealed at 850℃，the microstructures of the wires are completely recrystallized，and the ultimate tensile strength reduced to 550 MPa，elongation ratio up to 30%.When different wires cold heading to rivets，the shear strength increase compared to wires due to the work hardening effect.When both rivets are annealed，the shear strength both decrease，but uniformity of shear strength of rivets produced by cold drawn Ti45Nb wires is better.

Ti45Nb alloy;rivet;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.009

2015－05－05

王凱旋(1977—)，男，高級(jí)工程師。