中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 朱成祥 莊寶潼 劉風(fēng)雷

隨著多種新型飛機(jī)的研制，在不開(kāi)敞部位的連接結(jié)構(gòu)大量采用了鈦合金拉拔抽釘，以滿足現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的減重要求[1]。鈦合金拉拔抽釘具有較高的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而在制造過(guò)程中為滿足拉拔抽釘釘體的較高抗剪強(qiáng)度，需對(duì)其材料CP-Ti進(jìn)行特殊的處理，由此才能滿足相應(yīng)的強(qiáng)度要求[2]。

CP-Ti通常具有兩種材料狀態(tài)，即退火態(tài)和拉拔態(tài)。退火態(tài)CP-Ti硬度較低，并且難以通過(guò)后續(xù)熱處理對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化，所以該狀態(tài)下材料難以滿足釘體強(qiáng)度要求。拉拔態(tài)CP-Ti相對(duì)于退火態(tài)CP-Ti具有更高的強(qiáng)度，鐓鍛成形后可以得到滿足強(qiáng)度要求的釘體。但由于拉拔態(tài)CP-Ti本身存在較高的加工應(yīng)力，且在鐓鍛中存在著較嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，常溫鐓鍛無(wú)法滿足釘體頭部成形的塑性要求。為解決鈦合金抽芯鉚釘釘體鐓鍛問(wèn)題，本文通過(guò)試驗(yàn)研究拉拔態(tài)CP-Ti在不同溫度下的組織性能變化，探究其再結(jié)晶溫度及其性能；并研究了該材料強(qiáng)度與溫度變化的關(guān)系，基于此，選擇出合適的鐓鍛溫度，保證釘體強(qiáng)度滿足要求，鐓鍛工藝合理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)釘體材料

為滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，釘體桿部要求的顯微硬度大于HV200，這種材料需通過(guò)變形強(qiáng)化才能達(dá)到這種強(qiáng)度要求，對(duì)提供的材料通過(guò)HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度檢測(cè)，CP-Ti 的顯微硬度為HV240左右，可以滿足該硬度要求，其成分如表1所示。

表1 CP-Ti化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

釘體原材料經(jīng)熔煉-開(kāi)坯-鍛造-軋制-拉絲工藝，顯微組織如圖1所示，為JENAPHOT2000光學(xué)顯微鏡下放大200和500倍觀察到的微觀組織形貌。由圖可知，該組織為典型的單相拉拔態(tài)組織。

圖1 釘體原材料金相組織照片F(xiàn)ig.1 Metallographic structure of rivet set materials

1.2 再結(jié)晶試驗(yàn)

由于CP-Ti的相變點(diǎn)在882.5℃[3]，其再結(jié)晶溫度在該溫度以下某一溫度點(diǎn)。鑒于此，將試樣分別加熱至550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃，保溫 20min，然后水冷。熱處理設(shè)備為真空淬火爐。采用水冷目的是為了將高溫下的組織大小保留至室溫，防止緩慢冷卻造成組織長(zhǎng)大。熱鐓鍛即基于此原理，即鐓鍛過(guò)程中，在加熱后，待試樣還未冷卻即快速鍛打，使材料在高溫下的組織狀態(tài)發(fā)生塑性變形。

熱處理的試樣經(jīng)鑲樣-粗磨-精磨-拋光-侵蝕后，用JENAPHOT2000光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，在HXD-1000TMC/LCD維氏硬度計(jì)上測(cè)試顯微硬度。

1.3 鐓鍛試驗(yàn)

鐓鍛設(shè)備為帶感應(yīng)加熱一模兩沖鐓機(jī)，鐓鍛分別采用冷鐓、溫鐓、熱鐓工藝，釘體外形如圖2所示。冷鐓時(shí)，直接上料，在常溫下鐓鍛成形；溫鐓時(shí)，取再結(jié)晶溫度以下某一溫度點(diǎn)作為鐓鍛溫度，試驗(yàn)中分別以300℃和400℃為溫鐓溫度，通過(guò)感應(yīng)加熱電源將材料加熱到該溫度后立即鐓鍛成形；熱鐓時(shí)，將材料加熱到再結(jié)晶溫度以上某一溫度后立即鐓鍛成形。通過(guò)鐓鍛試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并結(jié)合鐓鍛后釘體內(nèi)部微觀組織狀態(tài)分析，最終確定合適的鐓鍛工藝。

圖2 釘體形狀示意圖（mm）Fig.2 Shape sketch of rivet set

2 結(jié)果與分析

2.1 釘體材料再結(jié)晶溫度

在不同的加熱溫度下，晶粒長(zhǎng)大的速度和程度差別較大[4]，圖3所示為不同加熱溫度下的試樣。先通過(guò)金相分析法研究不同溫度下材料微觀組織狀態(tài)變化，并分析相應(yīng)宏觀性能的變化。

（1）當(dāng)加熱溫度為550℃時(shí)，纖維組織逐漸消失，在晶界處出現(xiàn)細(xì)小的晶粒，由于晶界處能量高，所以容易形核，如圖3（a）所示。

（2）當(dāng)加熱溫度為600℃時(shí)，形核生成的小晶粒繼續(xù)不斷長(zhǎng)大，如3（b）所示。

（3）當(dāng)加熱到650℃時(shí)，晶粒長(zhǎng)大到一定程度會(huì)發(fā)生相互接觸，從而使晶粒呈等軸狀，晶粒大小約2～5μm，如圖3（c）所示。由于此時(shí)晶粒細(xì)小，在同樣變形量下，每個(gè)晶粒變形均勻，因應(yīng)力集中引起的開(kāi)裂機(jī)會(huì)少，從而表現(xiàn)為塑性好。

（4）當(dāng)加熱溫度達(dá)到700～800℃時(shí)，相鄰晶?；ハ嗤滩?，不斷長(zhǎng)大，如圖3（d）和圖3（e）所示。隨著晶粒的變大，塑性開(kāi)始下降。

（5）當(dāng)加熱溫度為800℃時(shí)，晶粒直徑達(dá)到50μm以上，如圖3（f）所示，此時(shí)因晶粒充分長(zhǎng)大，晶界明顯，材料塑性下降較大。

圖3 不同加熱溫度下的顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Microstructure at different temperature

再通過(guò)顯微硬度計(jì)檢測(cè)不同熱處理溫度下拉拔態(tài)CP-Ti的維氏硬度，可得如圖4所示加熱溫度與顯微硬度的關(guān)系。由圖可知，隨著加熱溫度升高，顯微硬度下降。

圖4 加熱溫度與顯微硬度的關(guān)系Fig.4 Relationship between temperature and micro-hardness

550℃～600℃之間硬度下降趨勢(shì)最為明顯，原因在于這一熱處理工藝過(guò)程包含組織晶粒形核長(zhǎng)大的過(guò)程，而在材料晶粒尚未形核長(zhǎng)大之前，拉拔態(tài)CP-Ti發(fā)生了回復(fù)?；貜?fù)可消除冷變形加工中產(chǎn)生的晶格畸變，釋放多余的畸變能，使鈦材的加工硬化大大降低，宏觀上則表現(xiàn)為硬度急劇下降。而回復(fù)的溫度一般略低于鈦材的再結(jié)晶退火溫度。

綜上，結(jié)合上述微觀組織分析與圖4中曲線可以得出：該種材料的再結(jié)晶溫度在650℃左右，回復(fù)溫度在500℃左右。

2.2 鐓鍛試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 冷鐓

圖5為冷鐓成形后釘體試樣，圖中試樣表明，冷鐓釘體時(shí)容易出現(xiàn)開(kāi)裂、裂紋和折疊等破壞或缺陷。通過(guò)分析材料狀態(tài)可知，材料為拉拔態(tài)CP-Ti的釘體，塑性較差，僅為18%[5]，常溫下無(wú)法滿足頭部變形所需的塑性。

圖5 釘體冷鐓成形試樣Fig.5 Countersunk head screw set upsetting blank

若冷鐓時(shí)未出現(xiàn)明顯的外部缺陷，仍然不可靠，因?yàn)閮?nèi)部微裂紋也是釘體鐓鍛失效的重要缺陷之一。圖6所示為冷鐓狀態(tài)下，外形無(wú)缺陷的某釘體試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察得到的的內(nèi)部微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的微觀裂紋。由此可見(jiàn)，采用冷鐓工藝成形釘體頭部，極易形成宏觀或微觀缺陷。該工藝不適用于釘體頭部鐓鍛成形。

圖6 釘體冷鐓后微觀形貌Fig.6 Microstructure of cold heading specimen

2.2.2 溫鐓

圖7所示分別為300℃和400℃溫度下溫鐓成形試樣。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用溫鐓工藝，試樣頭部成形較好，無(wú)裂紋、折疊等缺陷產(chǎn)生。

圖7 不同溫度下釘體溫鐓成形試樣Fig.7 Rivet set warm upsetting forming specimen at different temperature

從圖中可以看出，在300℃下鐓鍛成形的試樣，頭部P值（P值是衡量釘體頭部高度的一個(gè)重要參考值）較大，經(jīng)測(cè)量超出釘體尺寸要求。而在400℃時(shí)P值合格，頭部成形良好。而且該溫度下釘體在圓角處有流線，頭部無(wú)內(nèi)部裂紋，桿部未受熱影響，組織性能良好，如圖8所示。經(jīng)硬度檢測(cè)，顯微硬度為 HV 238，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 400℃下釘體溫鐓成形顯微組織Fig.8 Microstructure of rivet set warm upsetting forming specimen at 400℃

由此可見(jiàn)，將拉拔態(tài)CP-Ti加熱到300～400℃時(shí)明顯降低了變形抗力，隨著溫度升高，材料的變形抗力下降得越明顯，釘體頭部成形越容易。

2.2.3 熱鐓

在溫鐓基礎(chǔ)上繼續(xù)升高鐓鍛溫度達(dá)到或超過(guò)釘體原材料再結(jié)晶溫度，即為熱鐓鍛。

將釘體頭部加熱到再結(jié)晶溫度650℃時(shí)，觀察釘體桿部微觀組織，如圖9（a）所示，此時(shí)釘體桿部仍保持原有纖維狀形貌。但經(jīng)硬度檢測(cè)，此時(shí)桿部顯微硬度已經(jīng)明顯下降，相應(yīng)強(qiáng)度下降，難以保證最終釘體成型后的質(zhì)量。

當(dāng)加熱達(dá)到850℃時(shí)，釘體桿部微觀組織如圖9（b）所示。此時(shí)在纖維晶界處出現(xiàn)細(xì)小的組織，已經(jīng)形核生成了新晶粒。桿部顯微硬度進(jìn)一步下降，強(qiáng)度已不滿足釘體強(qiáng)度要求。

圖9 不同溫度下釘體熱鐓試樣微觀組織Fig.9 Microstructure of heating upsetting rivet set sample at different temperature

以上分析表明，熱鐓時(shí)，材料塑性大大增加，可鐓鍛得到外形與400℃溫度下相同的釘頭，但釘體頭部顯微硬度可能會(huì)下降到HV200以下，顯著削弱釘體的強(qiáng)度。若溫度進(jìn)一步升高接近相變溫度，不僅頭部強(qiáng)度下降，釘體桿部強(qiáng)度也受到影響。因此，為滿足強(qiáng)度要求，不宜通過(guò)熱鐓工藝成形釘體頭部。

綜上，為實(shí)現(xiàn)釘體頭部成形無(wú)缺陷，且滿足強(qiáng)度要求，400℃溫鐓為該拉拔態(tài)CP-Ti最佳鐓鍛工藝。

3 結(jié)論

（1）拉拔態(tài)CP-Ti具有典型的纖維狀組織，力學(xué)性能良好，滿足抽芯鉚釘釘體抗剪切強(qiáng)度要求。

（2）拉拔態(tài)CP-Ti再結(jié)晶退火溫度在650℃左右，回復(fù)溫度在500℃左右；在550～800℃時(shí)，隨著溫度的升高，CP-Ti顯微組織發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大，通過(guò)再結(jié)晶退火可使其晶粒長(zhǎng)大，由拉拔態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S態(tài)。隨著溫度升高，其顯微硬度和材料強(qiáng)度均下降，塑性增大，適合鐓鍛成形。

（3）基于拉拔態(tài)CP-Ti回復(fù)和再結(jié)晶原理，在抽芯鉚釘釘體鐓鍛時(shí)，頭部加熱到400℃的溫鐓工藝可鐓鍛成形出合格的釘體頭部，且能保證桿部力學(xué)性能不受影響，滿足強(qiáng)度要求。

[1] 劉風(fēng)雷. 我國(guó)航空鈦合金緊固件的發(fā)展. 航空制造技術(shù),2000(6):39-40, 55.

[2] 劉以波. TA2工業(yè)純鈦高溫組織演變研究[D]. 上海:上海交通大學(xué), 2010.

[3] 張翥, 王群驕, 莫畏. 鈦的金屬學(xué)和熱處理. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2009.

[4] 曹繼敏, 樊亞軍. CP-Ti再結(jié)晶退火的組織演變和力學(xué)性能.熱加工工藝, 2012, 41(24):17-19.

[5] 江先鋒, 向順華, 陳乃錄. 退火工藝對(duì)冷軋純鈦帶再結(jié)晶織構(gòu)的影響. 熱加工工藝, 2011, 40(18):167-169.