国产与进口紧固件用Ti-45Nb合金丝材性能对比研究★

2018-01-17朱宝辉陈睿博刘彦昌

山西冶金 2017年6期

朱宝辉，陈睿博，刘彦昌

（宁夏东方钽业股份有限公司钛材分公司，宁夏石嘴山 753000）

Ti-45Nb合金是美国华昌公司开发的一种β型钛合金，具有强度高、热膨胀系数小、弹性模量低、导热性好、塑性优良、成形性能好等特点，被用做航空航天器上的铆钉、固定发动机高温废气中的铝底板装置、超导磁体、有机废水废气处理装置，以及植入人体电子装置的壳体等领域[1-4]。目前，该合金作为一种铆钉材料在国外应用比较成熟，美国在航空航天领域已经全部改用冷加工性能优异的钛铌铆钉材料[2]，在空客和波音飞机上大量应用。

近几年来，我国也逐渐在国产飞机上开始大量使用钛铌合金作为铆钉材料，但仍然需要依赖进口材料供应。为了缩短国产与进口钛铌合金材料的差距，推进该合金材料国产化发展进程，本文对国产与进口紧固件用钛铌合金丝材各项性能进行了对比研究。

1 试验材料及方法

进口材料为美国华昌公司生产的Φ5 mm和Φ3 mm两种规格的丝材（执行AMS4982标准）。国产材料是采用Φ290 mm铸锭在16 MN快锻机和SXP—13型精锻机上经6火次锻造为Φ28 mm坯料，然后在Φ250 mm孔型轧机上热轧到Φ8 mm后，经后续扒皮、拉伸分别加工到Φ5 mm和Φ3 mm的丝材，并对进口和国产两种规格丝材进行真空退火(800℃×60 min)热处理。

对两种规格的丝材分别进行取样，采用美国LECO公司的600系列气体分析仪和日本岛津公司XRF-1700型X荧光光谱仪分析化学成分，采用Olympus GX51金相显微镜观察合金的显微组织，使用INSTRON 5982电子万能试验机根据《ASTME8M-13a金属材料拉伸试验方法》测试合金的拉伸性能，标距为50.8 mm。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分对比

表1为进口材料和国产材料化学成分的对比结果。从表1中可以看出进口材料的铌含量为标准的中间值，国产材料的铌含量接近上限值。进口材料的铁、氧含量较高，氮含量较低，而国产材料的铁、氧、碳、氢元素含量均远低于标准上限值。铁、氧两种元素虽为杂质元素，但也起到微合金化的强化作用。由于铁原子与基体原子半径、电负性的差异而形成置换固溶体，引起晶格畸变，从而使位错运动受到阻力，起到固溶强化的作用。氧原子由于半径小则以间隙原子的形式存在于晶格中，引起的晶格畸变大，强化效果更明显。因此，适当增加这两种元素可以起到调节该合金力学性能的作用。

表1 进口和国产材料的化学成分对比 %

2.2 室温拉伸性能

下页表2为进口材料和国产材料拉伸性能的测试对比结果。

表2 进口和国产材料的拉伸性能对比

从拉伸性能的对比来看，进口丝材的抗拉强度和屈服强度均高于国产材料，且远高出标准下限要求；其延伸率不均匀，断面收缩率略高于标准下限，均低于国产材料。国产材料的延伸率和断面收缩率远远超出标准下限值的要求，塑性非常好，但抗拉强度和屈服强度的富余量远低于进口材料。所以，还需要适当调节化学成分调整合适的强塑性水平。

2.3 显微组织

图1是两种规格进口材料和国产材料的显微组织对比结果。

通过对比可以看出，进口材料的晶粒细小均匀，晶界细小清晰，纵横向组织也比较均匀。Φ3 mm丝材的平均粒径约为20 μm，Φ5 mm丝材的平均粒径约为30 μm。国产材料的晶粒偏大且晶界较粗，平均粒径分别约为45 μm和50 μm。纵向组织中存在少量拉长的晶粒，横向组织中晶内存在很多杂乱细碎的小晶粒，组织不规则。