解文卓，唐飞龙，王巧莉，蔡建明，陈星宇

（1.宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）（2.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

关键字：TC16钛合金；BT16钛合金；魏氏组织；低倍组织；显微组织；组织性能

1 前言

TC16钛合金的名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，为α+β型两相高强钛合金，与俄罗斯BT16成分相同。TC16钛合金的β转变温度为860℃±20℃。具有良好的工艺塑性，疲劳强度高，通过固溶时效或冷变形强化后抗拉强度可以达到1030～1080MPa，剪切强度为650～700MPa，并且对缺口、扭转等应力集中敏感性较小、能很好地承受偏斜载荷。TC16钛合金丝材（Φ4mm～Φ8mm）主要用于制造螺钉、螺栓、铆钉、螺母、垫片等飞机用紧固件，包括螺栓、螺钉、螺母和环槽铆钉杆等，主要用在后机身、机翼、尾翼等部位。

TC16钛合金紧固件用丝材，随着温度的不断提高，β晶粒发生明显变化。在890℃时，呈现明显的魏氏组织，β晶界也在迅速长大，原始β晶粒清晰可见，β晶界上分布少部分断开的晶界α；加热温度增加到1050℃时，原始β晶粒清晰可见，类似β区加工组织，晶界内有明显的次生α相。这种组织与俄罗斯BT16钛合金紧固件的显微组织类似，但与国内TC16钛合金棒丝材等轴组织的要求有明显差异，为了进一步掌握组织过热后出现的魏氏组织对TC16钛合金丝材热镦性能的影响，同时也对俄罗斯BT16钛合金紧固件试样进行了分析比对，可以根据用途为紧固件后续加工选择不同的加热温度和加热时间，为获得不同的组织与性能以及大批量生产提供更优的理论依据。

2 试验方案

实验材料选用某公司生产TC16钛合金Ф6.1丝材，经某厂加工成螺栓，具体工艺如下：

车削→硼化处理→热镦→喷砂→退火→固溶时效→酸洗→滚螺纹→冷挤→检测

分别选取生产后满足标准要求的正常组织、加热温度为890℃和1050℃时的两种TC16钛合金棒材，加工成螺栓后，标记为1#（正常试样）、2#（中间试样）和3#（过热试样）。

3 分析过程

3.1 低倍组织

用胶木粉镶嵌在同一个试块上，进行磨制和腐蚀，观察螺栓的纵向组织。螺栓纵向的低倍组织见图1，1#试样的杆部低倍为细小的清晰晶组织，螺帽部位经镦头制备，大变形区的低倍呈现模糊晶组织；2#试样的低倍为细小的半清晰晶组织；3#试样的低倍为完全的模糊晶组织。下面分别描述三个螺栓的显微组织特征。

图1 低倍组织

3.2 高倍组织

（1）1#螺栓杆部纵向500倍显微组织如图2所示，为在β区加工得到的组织，β晶界清晰可见，β晶界上分布平直的晶界α，也存在少部分断开的晶界α，晶界α宽度明显大于晶内的α片。经测量，β晶粒的平均尺寸为137.1mm。一个β晶粒内有若干个α集束，集束内α相呈平行的长条状。

图2 1#螺栓杆部纵向显微组织

（2） 1#螺栓螺帽部位纵向的50倍显微组织如图3所示，螺帽经过镦制和后续的热处理，组织可以分为三个区，即螺帽顶部的变形死区（A区）、镦头大变形区（B）和杆部的未变形区（C区），其中，大变形部位 500X显微组织可以看出，组织已发生明显细化，α相呈等轴化并有明显的方向性，局部有少量的长条α，具体如图4所示。

图3 1#螺栓螺帽部位纵向显微组织

图4 1#螺栓螺帽部镦头大变形区纵向显微组织

（3）2#螺栓组织分析

2#螺栓杆部纵向不同倍数下的显微组织如图5（a）（b）所示，可以清晰分辨原始β晶界，原始β晶界上的α大多已破碎，呈长条状；螺栓杆部不同位置的原始β晶粒尺寸差异较大，图5（a）所示的区域原始β晶粒尺寸在110mm左右，而图5（b）所示区域的原始β晶粒尺寸在300mm左右；β晶粒内的少量α呈短条状或呈椭圆状，说明该螺栓试样对应的丝材发生过热，但拉拔过程终止时丝材坯料温度已落入α+β两相区，丝材在α+β两相区有较小的变形。在螺纹亚表面，显微组织有明显地被挤压拉长的痕迹。

图5 2#螺栓杆部纵向显微组织

（4） 3#螺栓组织分析

3#螺栓杆部和头部纵向不同倍数下的显微组织如图6和图7所示，为典型细小的双态组织，初生α的平均尺寸为2mm，分布均匀，初生α沿着杆部长轴方向呈较弱的方向性。在螺帽部位，在大变形量的镦制过程中，初生α沿变形金属流动方向呈明显的方向性。

图6 3#螺栓杆部纵向显微组织

图7 3#螺栓螺帽部纵向显微组织

3.3 力学性能分析

为了进一步了解过热组织与正常组织性能方面的差异，我们进行了性能对比试验，测试项目包括：缺口敏感系数、破坏拉力、高低周疲劳、剪切性能等，结果见表1所示。

表1 不同组织性能对比

通过性能分析可以看出，当TC16钛合金丝材加热温度分别为890℃和1050℃，高于相变点约100～200℃时，从钛合金棒丝材到热镦至螺栓，后续生产材料组织没有发生明显变化，仍然保留着丝材组织形貌。从显微组织角度分析，3#试样显微组织更加符合标准要求的等轴组织，1#和2#分别出现完整或部分完整β晶界，并有次生α相析出，这与标准要求不允许有长条α相明显不符；除此之外，其他性能方面均满足标准要求，通过对过渡组织和魏氏组织以及正常等轴组织的材料性能进行对比可以看出，除缺口敏感有所下降之外，其他性能都相当。

3.4 俄制BT16钛合金组织分析

为了更深层次地了解俄罗斯紧固件材料组织，对某公司提供的俄BT16钛合金Ф5mm和Ф6mm丝材以及MJ5沉头螺栓、MJ6六角头螺栓（实物照片见图8）进行了显微组织及流线分析。

图8 某公司提供的MJ5沉头螺栓和MJ6六角头螺栓实物

（1）BT16钛合金Ф5mm和Ф6mm丝材显微组织

BT16钛合金φ5mm和φ6mm丝材的显微组织如图9所示，为编织状的细小网篮组织，原始β晶界不明显。

（2）俄制BT16钛合金螺栓组织分析

图10给出了两种规格的螺栓杆部横截面不同位置的显微组织。由图11（a）、（c）可见，两种规格的螺栓心部均为网篮组织，晶粒细小，α片长度在10μm左右。由图11（b）可见，MJ5螺栓边缘组织和心部完全一样，表明杆部未经过任何强化处理；由图11（d）可见，MJ6螺栓在靠近边缘20μm以内的区域显微组织发生了不明显的扭曲，这说明与螺纹滚压相比，杆部挤压时的变形量相对较小，对显微组织的影响也较小。

图10 两种规格的螺栓杆部不同部位的显微组织

图11 MJ5、MJ6螺栓不同位置的显微组织

为进一步确定俄螺栓使用时的热处理状态，图12给出了BT16钛合金φ6mm丝材不同热处理状态的显微组织照片（热处理按俄工艺文件中给定的典型制度进行）。由图12（a）可见，退火状态下的显微组织中初生α相在60%左右；由图12（b）可见，固溶时效的显微组织中初生α相占40%左右，β基体上有大量细小弥散分布的次生α相。MJ5、MJ6螺栓的显微组织显然与图12(a)一致。由此说明，与显微硬度的试验结果一致，从组织上分析，MJ5和MJ6螺栓都是退火状态下使用的[1]。

图12 BT16钛合金φ6mm丝材不同热处理状态的显微组织

通过对俄制BT16钛合金紧固件丝材和紧固件实物的金相分析，其显微组织为细小的片层组织，有些呈现编织状的网篮组织，原始β晶界不明显，不存在连续的晶界α相[2]。根据俄标OCT1 90202-1975《BT16钛合金热轧棒材》和OCT1 90201-1975《钛合金磨光和机械精整棒材》对显微组织的要求，以及上述标准显微组织评级图的排列顺序可知，BT16钛合金紧固件尽量要得到经α+β两相区充分变形和热处理的等轴组织，这与俄制BT16钛合金丝材以及紧固件实物的显微组织不相符。

4 总结

通过加热温度对组织和性能影响的研究，可以得出以下几方面结论：

（1）在单相区加热时，随着保温时间的延长，TC16钛合金丝材显微组织为典型的等轴组织。随着加热温度的不断提高，在840℃～1050℃时进行加热时，试样840℃下为两相区加工组织，无β晶界形成，860℃时发生相变，出现完整的β晶界，随着加热温度的不断升高，β晶粒迅速长大，加热温度提高到870℃时，形成魏氏组织，晶粒较大，晶界明显。在840℃～1050℃时，试样平均晶粒尺寸为2um～180um之间，840℃时显微组织更符合加工要求。

（2）对棒材试样力学性能对比，在840℃时棒材综合性能最优，随着温度的不断增加，棒材的拉伸强度及塑性指标明显下降，剪切性能略降。从过渡组织试样和魏氏组织螺钉高倍组织与热处理复现试验结果对比来看，螺钉晶粒尺寸在100～300μm，平均尺寸为137μm。显微组织为完全的片层组织，β晶界清晰可见，β晶界上分布平直的晶界α，一个β晶粒内有若干个α集束，集束内α相呈平行的长条状。

（3）通过对俄制BT16钛合金丝材和紧固件实物的金相分析，其显微组织为细小的片层组织，有些呈现编织状的网篮组织，原始β晶界不明显，不存在连续的晶界α相。

（4）根据俄标OCT1 90202-1975《BT16钛合金热轧棒材》和OCT1 90201-1975《钛合金磨光和机械精整棒材》对显微组织的要求，以及上述标准显微组织评级图的排列顺序可知，国内TC16钛合金紧固件尽量要得到经α+β两相区充分变形和热处理的等轴组织，这与俄制BT16钛合金丝材和紧固件实物的显微组织不相符。