鈦合金作為一種新興結構材料，因其具有高的比強度、耐腐蝕性、耐高溫性，被廣泛應用于航空航天等高端工業領域［1］。近年來，隨著我國航空航天事業的快速發展及航空航天制造技術水平的整體提升，對緊固件用鈦合金材料的需求量越來越大，鈦合金緊固件代替大部分比強度低的鋼制緊固件后，對飛行器的減重效果非常顯著，目前我國自主研發的鈦合金緊固件已在重要領域獲得了大量的工程應用［2-3］。因此，強度高、穩定性好的鈦合金緊固件在當前形勢下有著巨大的市場空間［4］。

TC4鈦合金具有良好的力學性能和工藝性能，被廣泛用來制造各種航空航天用棒絲材，同時由于該材料具有高比強度和與復合材料電位特性相近的特點，已經逐步替代鋼材料和鎳基材料，在航空航天緊固件領域獲得了廣泛應用［5-6］。隨著TC4鈦合金加工緊固件用途的不斷拓寬，一些國內外的航空公司對其提出了力學性能要求［7］，而這一要求需采用固溶時效工藝來滿足，固溶時效處理可以提高合金的強度、塑性等力學性能，從而發揮其綜合優越性［8］。TC4鈦合金屬于典型的雙相熱強鈦合金，其力學性能在很大程度上取決于微觀組織，而TC4鈦合金的相結構(α相、β相、α'相、α″相以及ω相)與微觀組織形貌隨著變形工藝和熱處理制度的改變而改變。目前國內外對緊固件用TC4鈦合金的研究主要側重于熱穩定性能的研究［9］。

Patia等［10］采用不同固溶時效處理，得出淬火延遲時間從30s增加到70s，α相含量隨之增加，導致固溶處理后材料的強度和硬度降低［11］。

本文通過對航天緊固件用TC4鈦合金絲材進行固溶時效處理［12］，研究延時淬火時間對固溶時效后組織與性能的影響規律，以期為特殊用飛機零件的生產提供組織和性能依據。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

采用φ5.1mm的TC4鈦合金絲材作為試驗用料，該絲材經真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制、拉絲制成，其鑄錠化學成分符合GB/T3620.1-2016《鈦及鈦合金加工產品化學成分》的要求(見表1)。

1.2試驗方法

取φ5.1mm×300mm的試樣12支，其中6支進行固溶+延時淬火處理(ST)，剩余6支進行固溶時效+延時淬火處理(STA)。固溶+延時淬火熱處理制度:

6支試樣于940℃裝爐，待爐溫升至940℃后保溫1h，取出后流水冷卻，延遲淬火時間分別為0(不延時，出爐直接流水淬)、2、4、6、8、10s;固溶時效+延時淬火熱處理制度:6支試樣于940℃裝爐，待爐溫升至940℃保溫1h后，爐冷到540℃時效6h，取出后流水冷卻，延遲淬火時間分別為0、2、4、6、8、10s。

為防止試樣在熱處理過程中出現彎折，熱處理時需保持試樣水平置于爐內耐火磚上。試樣熱處理后打磨拋光至表面無氧化層，在試樣不同位置取樣，分別進行顯微組織、室溫拉伸、剪切性能檢測。顯微組織采用OLYMPICSPLAG3光學顯微鏡檢測，拉伸和剪切試驗采用INSTＲON8985萬能試驗機，拉伸速率為0.4mm/min，最大試驗力為250kN。

2、試驗結果與討論

2.1延時淬火對顯微組織的影響

2.1.1固溶+延時淬火

TC4合金絲材固溶+延時淬火后的顯微組織如圖1所示。可以看出，由于固溶溫度稍低于相變點溫度，α相并沒有完全轉變為β相，冷卻后組織中仍有初生α相。隨著延時淬火時間的增加，顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。延時淬火時間為0～6s(見圖1(a～d))時，組織形態為等軸組織，由初生α相(占比約為90%)和α'相組成，未發現β轉組織，無次生α相析出;延時淬火時間為8s(見圖1(e))時，β轉開始析出，組織形態為等軸組織，由初生α相(占比約為70%)和細β轉組成;延時淬火時間為10s(見圖1(f))時，β轉明顯增多，初生α相含量急劇減少，組織形態介于等軸組織和雙態組織之間，由初生α相(占比約為50%)和粗β轉組成。

2.1.2固溶時效+延時淬火

TC4合金絲材固溶時效處理+延時淬火后顯微組織如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著延時淬火時間的增加，顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。延時淬火時間為0～4s(見圖2(a～c))時，組織形態為等軸組織，主要由細小的初生α相(占比約為50%)和時效α相組成;延時淬火時間為6s(見圖2(d))時，晶粒尺寸異常增大，β轉開始析出次生α相，隨著延時淬火時間的增加，β轉析出次生α相的數量增加，且次生α相寬度逐漸增大。

對比TC4合金絲材固溶+延時淬火和固溶時效+延時淬火后的顯微組織可以發現，固溶時效后顯微組織中有較高含量的強化相，包括次生α相和時效α相，同時晶粒尺寸也更小。

2.2延時淬火對力學性能的影響

鈦合金的性能與其微觀組織形貌有著密不可分的聯系。延時淬火時間對TC4合金絲材固溶和固溶時效后強度的影響如圖3所示，可以看出，固溶時效后材料強度明顯大于固溶后強度，這是因為時效過程中析出的過渡相(α'相、α″相和ω相)作為強化相會增加材料的強度。對于固溶和固溶時效態，隨著延時淬火時間的增加，強度值均呈現減小趨勢，這是因為淬火過程中發生了馬氏體相變，即同素異構轉變，合金的塑性會有所升高，強度、硬度稍有降低。

對比固溶和固溶時效在不同延時淬火時間下的強度值可以發現，固溶時效+10s延時淬火后強度與固溶+0s(未延時淬火)后強度接近，由此可以推斷，在本試驗條件下，延時淬火10s對強度的削減值基本等同于時效處理對強度的增加值。

延時淬火時間對TC4合金絲材固溶和固溶時效后塑性的影響如圖4所示，可以看出，塑性變化規律與強度變化規律大致呈現反比關系，即固溶時效后材料塑性明顯小于固溶處理后塑性，隨著延時淬火時間的增加，塑性均呈現增大趨勢。

延時淬火時間對TC4合金絲材固溶和固溶時效后韌性的影響如圖5所示，可以看出固溶時效后材料的韌性基本大于固溶后韌性。對于固溶和固溶時效，隨著延時淬火時間的增加，韌性逐漸減小，這是因為隨著延時淬火時間的增加，即淬火前材料空冷的時間增加，片層狀的次生α相厚度在慢速冷卻過程中變大，形態由魏氏組織趨向于網籃組織，而裂紋在細片層狀組織中擴展較困難，因此斷裂韌度更高。

3、結論

1)隨著延時淬火時間的增加，固溶和固溶時效后TC4鈦合金絲材顯微組織中初生α相含量逐漸減少，β轉逐漸增多，晶粒尺寸逐漸增大。

2)對比固溶+延時淬火和固溶時效+延時淬火后顯微組織可以發現，固溶時效后TC4鈦合金絲材顯微組織中有較高含量的強化相，包括次生α相和時效α相，同時晶粒尺寸也更小。

3)固溶時效后材料強度和韌性大于固溶后，塑性小于固溶后。

4)隨著延時淬火時間的增加，強度和韌性均呈減小趨勢，塑性值均呈增大趨勢。

5)在本試驗條件下，延時淬火10s對強度的削減值基本等同于時效處理對強度的增加值。

參考文獻:

［1］王清瑞，沙愛學，黃利軍，等.顯微組織類型對TC4鈦合金絲材性能的影響［J］.鈦工業進展，2022，39(4): 12-15．

Wang Qingrui，Sha Aixue，Huang Lijun，et al.Influence of different type of microstructure on properties of TC4 titanium alloy wire［J］．Titanium Industry Progress，2023，39(4): 12-15．

［2］張利軍，王幸運，郭啟義，等.鈦合金材料在我國航空緊固件中的應用［J］.航空制造技術，2013(16): 129-133．

Zhang Lijun，Wang Xingyun，Guo Qiyi，et al.Application of titanium alloy in Chinese aircraft fastener ［J］．Aeronautical Manufacturing Technology，2013(16): 129-133．

［3］李蒙，鳳偉中，關蕾，等.航空航天緊固件用鈦合金材料綜述［J］.有色金屬材料與工程，2018，39(4): 49-53．

Li Meng，Feng Weizhong，Guan Lei，et al.Summary of titanium alloy for fastener in aerospace ［J］．Nonferrous Metal Materials and Engineering，2018，39(4): 49-53．

［4］于建政，寧廣西，林忠亮，等.航空工藝鈦合金緊固件時效分析研究進展［J］.材料導報，2013，27(21): 256-264．

Yu Jianzheng，Ning Guangxi，Lin Zhongliang，et al.Failure analysis process of titanium alloy fastener used in aerospace industry［J］.Materials Ｒeports，2013，27(21): 256-264．

［5］王悔改，冷文才，李雙曉，等.熱處理工藝對TC4鈦合金組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2011，40(10): 181-183．

Wang Huigai，Leng Wencai，Li Shuangxiao，et al.Effects of heat treatment process on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy［J］.Hot Working Technology，2011，40(10): 181-183．

［6］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用［M］.北京: 化學工業出版社，2005: 21-71．

［7］張延生，胡海洋，馬英，等.熱處理對 Ti-6Al-4V 棒材固溶時效性能的影響［J］.鈦工業進展，2005，22(6): 18-23．

Zhang Yansheng， Hu Haiyang， Ma Ying， et al．Effects of heat treatment on Ti-6Al-4V titanium alloy bars on solution ageing performance［J］.Titanium Industry Progress，2005，22(6): 18-23．

［8］顧曉輝，劉君，石繼紅.淬火、時效溫度對TC4鈦合金組織和力學性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36(2): 29-33．

Gu Xiaohui，Liu Jun，Shi Jihong.Influence of quenching and aging temperature on microstructure and mechanical properties of TC4 titanium alloy［J］.Heat treatment of metals，2011，36(2): 29-33．

［9］景然.固溶時效對TC4鈦合金組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2018，43(8): 152-156．

Jing Ｒan．Effects of solution and aging on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy［J］.Heat Treatment of Metals，2018，43(8): 152-156．

［10］李敏娜，馬保飛，郭金明，等.高強韌 TB8 鈦合金的熱處理制度［J］.金屬熱處理，2021，46(9): 116-119．

Li Minna，Ma Baofei，Guo Jinming，et al.Heat treatment of TB8 titanium alloy with high strength and toughness［J］.Heat Treatment of Metals，2021，46(9): 116-119．

［11］譚聰，肖寒，張宏宇，等.固溶時效對海綿鈦 /電解鈦熔煉TC4鈦合金熱軋板材組織與性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2020，49(12): 4290-4296．

Tan Cong，Xiao Han，Zhang Hongyu，et al.Effect of solution and aging treatment on microstructure and properties of TC4 titanium alloy hot-rolled sheet

by sponge titanium /electrolytic titanium melting［J］．Ｒare Metal Materials and Engineering，2020，49(12) : 4290-4296．

［12］吳晨，馬保飛，肖松濤，等.航天緊固件用TC4鈦合金棒材固溶時效后 的 組 織 與 性 能［J］．金 屬 熱 處 理，2021，46 ( 11 ):166-169．

Wu Chen， Ma Baofei， Xiao Songtao， et al．Microstructure and properties of TC4 titanium alloy bar for aerospace fasteners after solid solution treatment and aging［J］.Heat Treatment of Metals，2021，46(11):166-169．

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