TC16鈦合金是21世紀(jì)初中國在俄制BT16鈦合金成分設(shè)計基礎(chǔ)上開發(fā)的一種具有良好工藝塑性的 鈦合金材料,，屬于 α+β 兩相鈦合金,，名義成分為 Ti?3Al?5Mo?4.5V，相變點在 840～880 °C,，β 穩(wěn)定 系數(shù)為 0.83，具有高塑性,、高強(qiáng)度,、良好淬透性、 優(yōu)異的冷鐓成型性,，同時具有抗疲勞和焊接性能好,，對應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點。

一架中型飛機(jī) (如國產(chǎn)C919) 所用的緊固件的總重量可占飛機(jī)總質(zhì)量的5%~6%,，可達(dá)200萬到300 萬個[3],。圖1為 TC16 鈦合金緊固件及 C919 飛機(jī)。

　　TC16 鈦合金常以冷鐓熱處理的方式進(jìn)行強(qiáng)化,， 故要求材料在退火態(tài)具良好的塑性,，固溶時效態(tài)具有較高的強(qiáng) 度 。對比俄制BT16鈦合金,， 國產(chǎn)TC16鈦合金具有與其相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和工藝塑性,， 但是冷鐓工藝還不夠成熟，無法實現(xiàn)量化生產(chǎn),。研究表明,，材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強(qiáng)度及組織有關(guān),。

　　本次實驗所用材料是經(jīng)多次次真空自耗熔煉的TC16合金鑄錠,，坯料經(jīng)自 由鍛+精鍛、粗軋+連軋等工序生產(chǎn)至 ?8.0 mm 線 材盤圓,，其 α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為856 °C,。圖 2 為TC16鈦合金 ?8.0 mm棒材軋制態(tài)顯微組織，由圖2可以看出,，棒材原始組織為細(xì)小的等軸初生+馬氏體α′′+β基體構(gòu)成,，原始β晶界已完全破碎，初生α相體積分?jǐn)?shù)約為50%,，且α相為短棒狀,、針狀和 顆粒狀,。另外，顯微組織中存在少量片層狀的馬氏體 α′′,，這與軋制工藝及軋后冷卻方式有關(guān),。

　　在TC16鈦合金?8.0mm盤圓線材上取樣，按照表1中的實驗方案進(jìn)行退火和固溶時效熱處理實驗,，研究不同退火工藝和固溶時效工藝對棒材退火態(tài)及固溶時效態(tài)顯微組織和力學(xué)性能的影響,，其 中，F(xiàn)C為爐冷;AC為空冷;WQ為水淬,。試樣經(jīng)熱處理后依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉 伸實驗方法》加工,、檢測室溫力學(xué)性能,，依據(jù)GB/T5168 —2020《α-β 鈦合金高低倍組織檢驗方 法》中的方法加工,、腐蝕后，并檢測,、分析其顯微組織,。

　　其中方案A1～A4研究不同退火溫度對棒材退火后顯微組織及室溫力學(xué)性能的影響，方案B1～ B3研究不同固溶溫度對棒材固溶時效態(tài)組織性能的影響,，方案 B2,、B4、B5,、B6 研究不同時效溫度對 棒材固溶時效態(tài)組織性能的影響,。

　　圖3為TC16 鈦合金棒材不同退火溫度隨爐冷卻后的顯微組織，由圖3可以看出隨退火溫度的升高,，顯微組織中初生α相的含量逐漸減少,，晶粒逐漸長大。圖3(a) 和3(b) 分別為試樣在760和780 °C 退火后的顯微組織,，為α相和β相組成的彌散混合組織,，平均晶粒大小為1.22μm。圖3(c)和3(d)分別為試樣在800和820 °C退火后的顯微組織,，由等軸初生α相與局部片層狀的次生α′′相及β基體組成,，與圖 3(a)和3(b)相比，圖3(c)和3(d)中的晶粒明顯長大,，局部出現(xiàn)少量片層組織,，平均晶粒尺寸由原來的1.22增加至1.33μm。

　　圖4為不同退火溫度對TC16鈦合金棒材室溫性能的影響,。

　　由圖4可以看出,，隨退火溫度的升高 (隨后慢 冷) 棒材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度均逐漸降 低,，伸長率逐漸升高,，斷面收縮率先升高再降低。原因為在α+β兩相區(qū)退火時棒材發(fā)生了回復(fù)與再結(jié) 晶,，退火溫度越高再結(jié)晶后晶粒越粗大,，棒材強(qiáng)度越低。在 780 °C 時棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了840MPa,， 斷面收縮率達(dá)到了最大值 74%,，研究表明斷面收縮 率與材料冷鐓性能成正相關(guān)，因此,，在選擇TC16鈦合金退火工藝參數(shù)時要充分考慮到這一點,，兼顧材料強(qiáng)度與塑性，特別是保證TC16鈦合金棒材的供貨 狀態(tài)工藝性能—冷鐓性能[5],，因此,，TC16合金棒材最佳退火制度為780 °C保溫2h，以 2～4 °C/min 爐冷至550 °C以下,，空冷,。

　　圖5為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織，圖中白色顆粒為初生α相,，黑色部分為β基體(包括淬火保留下來的亞穩(wěn)定β相和α′′相),。

　　圖6所示為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材室溫力學(xué)性能,，可以看出,，隨著固溶溫度升高，棒材固溶時效態(tài)的抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度均升高，伸長率降低,，斷面收縮率先 升高再降低,。在800 °C時棒材斷面收縮率達(dá)到了最高值 74%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa,，剪切強(qiáng)度達(dá)758MPa,，強(qiáng)度與塑性達(dá)到了最佳匹配,，故TC16鈦合金棒材的最佳固溶制度為 800 °C保溫2 h， 水淬,。

　　圖7所示為不同時效溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織,，由圖7可以看出，隨著時效溫度升高,，固溶過程中保留的亞穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變而形成的質(zhì)點的彌散程度也各不相同,，520 °C時效從亞穩(wěn)定β相分解的第二相比較彌散，如圖7(a) 所 示,。隨著時效溫度的升高,，彌散析出的第二相質(zhì)點開始聚集，如圖7(c) 和7(d) 所示,，研究表明TC16 鈦合金亞穩(wěn)定相分解從350～400 °C開始,，500 °C 時效后亞穩(wěn)定β相完全分解，但穩(wěn)定化β相的鉬,、 釩含量比在較低溫度下得到平衡的β相的少[1],。

　　圖8為時效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態(tài)室溫力學(xué)性能的影響，由圖8可以看出,，隨著時效溫度的升高，棒材的抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度逐漸降低，伸長率逐漸升高,，斷面收縮率先升高 后降低,。

這是因為時效時亞穩(wěn)定β相分解引起時效強(qiáng)化，但隨著固溶溫度從 520升高至580 °C彌散析出的質(zhì)點發(fā)生了較大程度的聚集,，使得強(qiáng)度逐漸降低,，塑性升高。時效溫度為560 °C時棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值74%,，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa,， 剪切強(qiáng)度達(dá)到了 758 MPa。

因此,，800 °C固溶后經(jīng)560 °C保溫8h時效,，可以使TC16鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳匹配。

　　(1)TC16鈦合金棒材在退火后以 2～4 °C/min 爐冷的冷卻速度不變的情況下,，隨退火溫度的升高,， 組織中初生α相含量減少、平均晶粒尺寸增加,，棒材的抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度均降低，伸長率略有升高,，斷面收縮率先升高后降低,。780 °C 退火后棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值。

　　(2) 在時效溫度不變的情況下,，隨固溶溫度的升高,，TC16合金棒材固溶時效后組織中初生 α 相含量減少，次生相含量增加,，室溫拉伸強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度升高，伸長率降低,，斷面收縮率先升高再降低,，在800 °C時達(dá)到了最高值。

　　(3) 在固溶溫度不變的情況下,，隨著時效溫度的升高,，TC16合金棒材組織中的彌散析出的第二相開始聚集，室溫拉伸強(qiáng)度,、剪切強(qiáng)度降低,，伸長率升高，斷面收縮率先升高再降低,。經(jīng)“800 °C 保溫 2 h,，水淬+560 °C保溫8h，空冷”固溶時效處理后棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1100 MPa,，斷面收縮率達(dá)到了74%,，強(qiáng)度和塑性達(dá)到了最佳匹配，為TC16鈦合金棒材的最佳固溶時效制度,。