航空钛合金紧固件具有较高的强度，且质量轻，具有耐腐蚀性，在航空领域得到快速发展，目前常采用热镦方式进行钛合金紧固件成型。根据现有研究发现，相比欧美热镦产品来说，俄国冷镦钛合金紧固件的制造成本仅是前者的 40%左右，目前 BT16 钛合金是唯一能够实现连续性冷墩加工的航空紧固件钛合金材料，因此针对钛合金冷镦性能的相关研究具有十分重要的意义。TC16 钛合金是一种两相钛合金，是本世纪在俄制 BT16 钛合金的基础上研发的具有良好工艺塑性的材料。BT16 钛合金其力学性能工艺塑性较好，在航空领域 获得广泛应用，使用退火状态 BT16 钛合金经冷镦制备航空紧固件技术目前已经基本成熟，相对 BT16 材料来说，TC16 钛合金同样具有良好的工艺塑性和力学技能，但由于冷镦技术不成熟，因此最终的成品合格率较低，无法实现批量化生产。在本研究中使用快速顶锻试验机，能够针对 TC16 钛合金样品进行自由冷镦实验，与实际生产的冷墩件相比其变形速率基本接近，能够达到每秒 75 毫米，经过实验之后的样品进行显微组织硬度和相转变检测，进而发现经冷镦变形之后，该材料微结构的变化过程，进一步研究 TC16 冷镦加工的机制。

1、 实验方法

在本研究中使用 TC16 钛合金材料，检测其化学成分如下表所示。

通过 780 摄氏度退火持续两小时保温之后，将其炉温冷却到 55摄氏度，空冷处理获得等细晶组织，将钛合金材料加工成尺寸为 8×16 毫米的短棒，用于持续冷镦实验的样品，利用显微硬度计对原有样品的硬度进行测试，其数值为 2.3GPa。利用快速顶镦锻实验机开展持续性冷镦实验，进而使样品的锻压比分别为 1/2，1/4，1/6以及 1/8，其变形程度依次增加，冷镦速度与航空紧固件实际生产工艺接近，达到每秒钟 75 毫米，利用维氏显微硬度计进行冷墩样品处理后，样品纵截面垂直和平行剪切方向的硬度变化，垂直剪切带 的方向是从中心到两端每间隔 0.2 毫米进行测试，而对于平行剪切带的方向需要每间隔 0.5 毫米测试，在各个区域中选取 3-5 个点平均值为该硬度点。利用 x 射线衍射仪能够分析经过持续冷镦变形之后样品相变情况，经过冷墩之后的样品纵截面制备透射电机样品，薄片样品经抛光后，配置 5%高氯酸加 95%乙醇电解液实现双喷电解抛光，设置电压为 75 伏，外界温度小于零下 30 摄氏度，双喷后样品经过离子减薄机进行减薄之后，制备样品，并且利用透射电子显微镜观察内部的微观组织，其电压设置为 200kV。

2、 研究结果分析

如下图所示为经过快速镦锻变形之后样品纵截面照片，样品经过腐蚀之后，存在明显一字双叉形变剪切带，根据变形大小可以将变形区域分为 3 区，一区变形程度较小，二区是剪切带区变形程度较大，三区变形适中。随变形量增加样品中心位置被压缩为一条线。根据现有的报道，在持续冷镦时样品受到压缩应力，中心部位不会出现裂纹，但在一次双叉位置很容易形成裂纹。在本研究中持续冷墩处理之后的样品内部无明显的裂纹，进一步说明退火态航空紧固件 TC16钛合金其塑性变形能力较好，在冷镦变化方面经过持续冷镦实验中样品内应场不均匀，进而导致样品形变不均匀，对于样品质量和加工来说产生的影响较大。在冷加工时由于样品塑性变形会引起加工硬化，在本研究中可以使用硬度法分析样品不均匀变形度。根据垂直剪切带方向硬度发现经过冷镦后该材料硬度值整体上升，并且在中心剪切带区域硬度最高，由剪切带向冷镦接触面的方向其硬度逐渐降低，并且呈现对称性分布。当锻压比为 1/2，此时 II 区硬度比较稳定，为 3.0GPa，从自剪切带到冷镦方向硬度降低为 2.6GPa。当锻压比比达到 1/4 时此时 II 区域的硬度最高为 3.4GPa，I 区硬度降低为 2.8GPa。当锻压比分别为 1/6 和 1/8，此时硬度的变化基本稳定，两个硬度值是相近的。分析平行剪切带方向样品的硬度梯度，为当压锻压比为 1/2，此时 II 区域的硬度为 3GPa，III 区硬度为2.9GPa，当锻压比为 1/4 区域硬度最高为 3.4GPa，III 区域硬度降低为 3.05GPa。当锻压比高于 1/4，此时 II 区与 III 区的硬度值基本一致为 3.2GPa，无显著的硬度梯度。整体从冷镦材料的硬度特征上来看，当锻压比为 1/2 时此时硬度提升较小，当锻压比为 1/4，这种情况下冷镦样品存在较大的硬度梯度变化，当锻压比高于 1/6 时，此时样品的硬度梯度基本处于稳定状态，随锻压比增加 1 区以及 III 区的硬度值逐渐增加，当锻压比高于 1/6 时，此时样品的硬度值基本处于稳定状态，对于剪切带 II 区硬度，随着其锻压比先增加后减小，最后趋于稳定状态。当锻压比为 1/4，此时硬度最高，当锻压比高于 1/6 此时硬度值将趋于稳定状态，在 II 区和 III 区硬度梯度区域稳定状态，两者的硬度值基本一致。进一步表明当锻压比为 1/4 这种情况下，航空紧固件 TC16 冷镦样品的力学性能不稳定，而处于较大变形情况下冷镦样品内部细晶强化，位错强化等微观组织变化会导致较大的硬度变化。

除此之外，通过研究发现随材料的变形量增加，会使材料位错密度增加，出现位错缠结或者塞积的问题。由于位错强化，进而会使加工硬化程度明显，使剪切带位置的硬度快速升高，当材料的锻压比高于 1/4，此时晶粒会被压扁，位错塞积程度随变形增加而逐渐增加，剪切带区域的硬度会持续升高。当材料锻压比高于 1/6，此时随材料变形增加为塞积位错，会出现动态回复或者湮没，逐渐形成独立晶界，晶粒会细化成纳米等轴金，位错动态回复导致的加工软化会使剪切带区域的硬度有一定程度降低，最后区域稳定状态。硬度变化能够从一定程度上反映材料在变形中的硬化强度，也就是位错增值变化规律。在晶粒计划中位错动态回复以及湮没等加工软化明显高于材料的硬化作用，会使材料硬度有一定程度降低。在剪切带相变分析过程中可以使用 XRD 图谱分析，内部除组织形态发生变化之后，同时还会存在相变过程。在本研究中我们发现经过冷镦处理之后的样品两个峰强度有显著降低，并且出现少量马氏体相，随变形程度增加ɑ’’相有一定程度增强，但增强较弱，证明该应力诱发的ɑ’’相变马氏体含量较少，对于冷镦样品的硬度不会产生较大影响。

3 、结语

总而言之，在本研究中主要针对航空紧固件机械钛合金经过冷墩成型之后的特点进行分析研究，发现 TC16 钛合金其塑性变形良好，在冷镦持续变形过程中，细晶强化，位错强化是硬度提升的主要原因。而由于ɑ’’相变马氏体含量减少，对于样品硬度产生的影响是比较小的。当材料锻压比为 1/2 时硬度变化不明显，当锻压比为 1/4 时硬度变化最高，但存在不均匀变形，冷镦件的力学性能较差，锻压比高于 1/4 样品硬度梯度将逐渐趋于稳定，会导致形成剪切带。由于位错强化进而会导致剪切带区域硬度显著增加，样品的硬度梯度变化较大，当锻压比高于 1/4，此时硬度为最高值，随变形量增加剪切带内部晶粒细化为 100 纳米等轴晶，硬度有一定程度降低，逐渐趋于稳定状态，硬度梯度变化较小。

参考文献：

[1]高文超,冯奇,张智,等.紧固件用 TC16 钛合金棒材热处理工艺研究[J].机械工程与自动化,2019(01):149-150.

[2]张志强,董利民,胡明,等.冷却速率对 TC16 钛合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2019(007):1391-1398.

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