随着钛合金在航空航天上用量的不断增大，钛合金紧固件的用量也在进一步增加，目前世界各国在飞行器上的应用主要有两个体系，美国等国家一般采用 TC4 钛合金制造紧固件，俄罗斯采用 BT16（国内相近牌号为 TC16）钛合金。TC4 属于α+β两相合金，采用该合金制造紧固件必须使用热墩工艺，在经过真空固溶时效处理，生产成本较高效率较低，另外由于该合金 Kβ稳定系数只用 0.27，淬透性差，相应紧固件尺寸也受到了限制。而 TC16钛合金是一种富β相马氏体型α+β两相钛合金，名义成分为 Ti-3Al-5Mo-4.5V，铝含量较低，β稳定元素 Mo 和 V 含量较多，Kβ稳定系数为 0.83，大于 TC4，退火状态下合金约有25~30%β相，因而退火态具有较好的工艺塑性。TC16钛合金具有高塑性、高强度、高剪切强度、良好淬透性，同时抗疲劳和焊接性能好，对应力集中敏感性小等优点，显著提高了紧固件的使用寿命，且该合金经固溶时效处理后强度可达 1030MPa 以上，因此该合金常采用冷镦成形方法制造螺栓、螺钉和铆钉紧固件的加工制造等，是制造航空紧固件最理想的材料之一[1，2]。

热处理工艺是保证TC16钛合金棒材工艺性能的重要因素，也是TCl6钛合金高性能的保证。本文分析了不同固溶温度和时效温度下 TC16钛合金型材的显微组织，并通过室温力学性能试验，测试了不同固溶和时效处理对 TC16钛合金型材强度和塑性的影响规律。

1 、实验材料及方法

实验材料选用规格为新疆湘润新材料科技有限公司S8mm 的 TC16钛合金六角棒。该棒材选用小颗粒 0 级海绵钛，由真空自耗电弧炉3次熔炼为 Φ720mm 铸锭，经β相 区开坯、α+β两相区锻造、两火次热轧、冷轧等工序后获得。钛合金相变点指的是热加工过程中α+β两相组织向β相转变的过程，是制定热处理工艺的重要依据[3]，通过金 相法测得其相变点为 875℃。其化学成分如表 1 所示。

研究表明，退火处理可以使 TC16钛合金棒材获得较低的强度和很高的塑性[4]，显著降低冷轧和冷镦变形抗力，在热轧后进行了退火消除残余应力，软化合金，改善综合性能，采用的退火制度为 780℃ 2h.FC 至 580℃ .AC。对 TC16合金冷轧后的六角棒取样，按照表 2 所定的固溶 + 时效热处理方案进行热处理，然后加工成为试样，采用 Olympus Pmg3 金相显微镜进行显微组织观察，通过 Instron 拉伸试验机按照 GB/T228 金属室温拉伸试验方法测试其室温拉伸性能。拉伸试样采用 R7 的标准拉伸试样。金相腐蚀剂采用 ：HF ：HNO₃ ：H₂O=1 ：3 ：7 配比溶液。

2、 实验结果和讨论

2.1 热处理对 TC16钛合金棒材显微组织的影响TC16钛合金棒材热轧后进行退火处理，退火制度为 ：780℃保温 2h 后开始以 2~4℃ /min 炉冷降温至 580℃ 后空冷，取样观察其组织如图 1 所示，为均匀的α+β两相组织，组织由初生α 相、细小的次生α 相以及β相组成，晶粒尺寸较小。

图 2 为 TC16 钛 合 金 六 角 棒 在 不 同 温 度 固 溶 经570℃ /8h，AC 时效后的显微组织照片。由图 1 可见看出，经α+β两相区固溶 + 时效处理后，棒材的的显微组织为均    匀细小的等轴组织。随着固溶温度的升高，初生α 相晶粒尺寸略有有长大，初生α 相不断溶解、减少，初生α 相含量由 760℃固溶处理的 37.5% 左右，降低到 840℃固溶处理的14.5% 左右，在 820℃以上β相区产生 a" 马氏体。试样在820℃以下固溶时，显微组织为初生α 相和亚稳定β相组成，固溶稳定达到 820℃时，亚稳态β相不能稳定下来，在水介质中的快速冷却过程中，产生 a" 马氏体转变，组织内部开始出现 a" 马氏体，随着温度升高，在 840℃时，亚稳态β相大量转化成 a" 马氏体[5]。

图 3 是 TC16钛合金六角棒在 800℃ /2h，WC 固溶处理后在不同时效温度下的显微组织照片。由图 3 可以看出，经α+β两相区固溶 + 时效处理后，棒材的显微组织为均匀 细小的等轴组织，但随着时效温度的升高，有弥散颗粒析出，初生α 相晶粒尺寸较小，在 570℃时初生α 含量最大，由550℃时效处理的 31.2% 增加到 570℃的 37.9%，整体变化幅度不大。

2.2 热处理对 TC16钛合金棒材力学性能的影响

固溶温度对 TC16钛合金棒材性能的影响见图 4，随着固溶温度的升高，抗拉强度 Rm 和屈服强度 Rp0.2 均先降后升，在固溶温度为 780℃时出现低谷，延伸率和断面收缩率 先升后降，在 780℃ ~800℃时达到最高值，在 840℃时降低较为明显。选择 800℃作为固溶热处理制度时，可以保证强度和塑形的良好匹配。

时效温度对TC16钛合金棒材性能的影响见图5，随着时效温度的升高，抗拉强度 Rm 和屈服强度 Rp0.2 下降，延伸率 A 和断面收缩率 Z 略有提高，变化幅度不大。主要是因 为时效时有弥散颗粒析出，温度较低时，颗粒尺寸较小而分散度大，此时合金的强度较高，而塑性偏低，随着时效温度的提高析出颗粒逐步长大，合金的强度就逐步降低，而塑性 则不断提高，因此在 570℃附近时效，则可以在保证塑性的同时有较高的强度。

3 、结论

（1）随着固溶温度的升高，抗拉强度和屈服强度均先降后升，在固溶温度为 800℃时出现低谷，在 780℃ ~800℃时达到最高值，断面收缩率，变化不大，在 840℃时略有降低。

（2）随着时效温度的提高，抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2有所下降，延伸率 A 和断面收缩率 Z 略有提高，但总的变化幅度不大。

（3）根据上述实验，综合组织观察与性能检测的结果，选择 800℃ /2h，WC+580℃ /8h，AC 的制度进行热处理，可以得到强塑性匹配较好的棒材。

参考文献：

[1]刘全明，张朝晖，刘世峰，等 . 航空紧固件用钛合金 TC16 研究与发展[J]. 热加工工艺 ,2014,43(4):s17-s19.

[2]陈石卿 . 鲍利索娃 E A．钛合金金相学 [M]. 译 . 北京 : 国防工业出版社 .1986:272-357．

[3]王庆娟，高颀，王鼎春，等 . 新型β钛合金相变点的测定 [J]. 热加工工艺，2014,43(6):50-52.

[4]李英浩 , 贺飞 , 侯峰起，等 . 热处理对 TC16钛合金棒材显微组织和力学性能的影响 [J]. 钛工业进展 ,2014,31(4):s20-s23.

[5]张志强，董利民 , 杨洋 , 等 . 淬火温度对 TC16钛合金显微组织及变形行 为的影响 [J]. 金属学报 ,2011,47(10):s1257-s1262.

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