国产TC4和进口Ti-6Al-4V对螺栓近净成形的影响

杨玖锡，樊开伦，罗学玉，戴爱丽，肖黔红

贵州航天精工制造有限公司 贵州遵义 563125

1 序言

国产TC4和进口Ti-6Al-4V钛合金是一种中等强度的α-β型两相钛合金，含有wAl=6%（α稳定元素）和wV=4%（β相稳定元素）。TC4钛合金的力学性能与初生α相数和形态有密切关系，一般讲，初生α相含量越多，室温拉伸性能和疲劳性能越好；初生α相数量越少，则高温持久性能、蠕变性能和断裂韧度越好。为了获得优异的综合性能，初生α相含量通常希望控制在15%～50%。鉴于国产TC4和进口Ti-6Al-4V钛合金具有密度小、比强度比刚度高、耐蚀性好、高温力学性能优异、抗疲劳和蠕变性能突出、无磁性可焊接等优异的综合性能，现已广泛用于制造航空发动机风扇和压力机的盘与叶片，以及飞机结构中的各种承力梁、框、接头和紧固件等[1，2]。

钛合金相变点以下小功率的近净成形可以在一定程度上抑制钛合金的动态回复和动态再结晶行为，改善微观组织，提高材料综合力学性能，但由于钛合金小功率加热低温塑性变形能力差，易产生开裂等加工缺陷，钛合金相变点以下相对低温材料行为的研究一直较少[3，4]。

钛合金属于组织敏感材料，其微观组织与近净成形行为密切相关，同时对宏观材料性能影响很大，需重点研究[5]。

针对上述问题，本文通过工艺研究，对国产TC4和进口Ti-6Al-4V钛合金相变点以下相对低温的材料行为进行了一定的探索，通过工艺验证了国产TC4和进口Ti-6Al-4V钛合金近净成形过程中的应力应变行为及组织演化特征，可为钛合金相对低温塑性近净成形控制提供理论参考。

2 工艺验证

本试验原材料为真空自耗电弧炉冶炼生产的TC4钛合金棒材，规格为φ5.5mm，退火状态，执行标准GJB 2219—1994，合金化学成分见表1。Ti-6Al-4V材料规格为φ5.5mm，退火状态，执行标准MAS 4967。棒料通过车削两端倒角、外圆磨削制成φ5.02-0-0.015m m×（2 5±0.1）m m、两端倒角0.3mm×45°。采用高频感应加热电源（WHVI-26）＋气液增压式压力机/CPM-125，对TC4和Ti-6Al-4V采用同一设备、同一工艺参数，分别用3个不同功率进行近净成形工艺研究。加热功率和加热时间通过高频感应加热器设置。加热后将坯料放进精密成形模具中进行近净成形。对头部成形后的钛合金螺栓，随后进行真空固溶处理。固溶处理后对试样线切割取样，进行金相试验，采用徕卡光学显微镜（LEICADM×500M）进行金相检查。具体试验参数见表2，以观察不同加热功率对头部近净成形后的组织影响。

表1 TC4合金化学成分（质量分数） （%）

表2 螺栓头部近净成形参数

3 试验结果及分析

3.1 加热功率对近净成形的影响

加热功率对螺栓头部近净成形的影响结果见表3。从表3可看出：随着加热功率的降低，不论是国产TC4材料，还是进口Ti-6Al-4V材料，螺栓头部的成形性能都随之降低，表现在头部逐渐减小，饱满度降低，粗糙度值变大。从研究结果来看，Ti-6Al-4V材料的近净成形性能明显优于TC4。

表3 加热功率对螺栓头部近净成形的影响结果

3.2 加热功率对组织的影响

加热功率对组织的影响可以参见图1，不论加热功率大小，进口Ti-6Al-4V的初生α相数量明显多于国产TC4的初生α相数量。

3.3 分析

随着加热功率的降低，加热温度也随之降低，材料的塑性也相应下降，导致材料的成形性能变差。因此，不论是国产TC4材料，还是进口Ti-6Al-4V材料，螺栓头部的成形性能都随之降低。

从加热功率的变化对组织的影响来看，不论加热功率高低，进口Ti-6Al-4V的初生α相数量明显多于国产TC4的初生α相数量，说明进口材料对初生α相数量的控制较好，这也是值得国产材料需要改进提升的地方。

图1 不同加热功率中组织的初生α相数量

4 结束语

验证结果表明：860W以下的加热功率不论是国产TC4还是进口Ti-6Al-4V钛合金，都可实现HB6512螺栓的头部近净成形。但是，Ti-6Al-4V材料的近净成形性能明显优于TC4，而且Ti-6Al-4V材料的初生α相数量明显多于国产TC4材料。钛合金初生α相数量的增加，有利于提高钛合金螺栓的疲劳寿命。