許永春， 鄭高峰， 殷小健， 周 杰， 沈 鵬， 董晨曦

（1.河南省緊固連接技術(shù)重點實驗室， 河南信陽464000； 2.河南航天精工制造有限公司， 河南信陽464000；3.空裝駐鄭州地區(qū)軍事代表室， 河南鄭州 450000）

0 引言

鈦是20 世紀(jì)50 年代開始發(fā)展起來的一種重要的金屬材料，具有熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低等特點，在常溫下為密排六方結(jié)構(gòu)的α 相，在882℃時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)的β 相。 鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的綜合性能。 由于航空航天裝備的輕量化需求， 鈦合金材料在航空航天緊固件領(lǐng)域中使用比例也越來越高， 其應(yīng)用水平已成為衡量飛行器選材先進(jìn)程度的一個重要標(biāo)志[1-3]。

鈦合金緊固件制造工藝一般包括： 常見成形工藝如鐓制、碾桿、縮徑及滾螺紋等，熱處理如退火、固溶及時效等，表面處理有陽極氧化、 MoS2涂層、噴涂鋁等。 TC4 相當(dāng)于國外的Ti-6Al-4V，是航空航天緊固件領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的鈦合金材料牌號， 產(chǎn)品類型主要包括各種頭型的螺栓、螺釘以及少量螺母[4]。 本文簡要介紹了TC4 螺栓在制造過程中存在的常見典型缺陷及成因， 并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 TC4 材料特性

TC4 是一種中等強(qiáng)度的α+β 型雙相鈦合金，含有6%的α 相穩(wěn)定元素Al 和4%的β 相穩(wěn)定元素V。 該牌號具有優(yōu)異的綜合性能，長時間工作溫度可達(dá)400℃，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 在室溫下退火態(tài)TC4 顯微組織為大量的α（hcp）相+少量的β（bcc）相。 滑移系的多少是影響金屬塑性好壞的重要因素[5]，α 相為密排六方結(jié)構(gòu)，其滑移系只有3 個，β 相為體心立方結(jié)構(gòu)， 其滑移系為12個，由于α 相滑移系較少，導(dǎo)致其冷變形能力較差；TC4 導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高，彈性模量小，加工硬化嚴(yán)重，刀具壽命短、加工效率較低；磨削時易產(chǎn)生燒傷、變形等缺陷。 TC4相變溫度通常為（970～1010）℃，由于淬透性較差，螺栓加工尺寸通常在19mm 以下[6]。

2 TC4 鈦合金螺栓通用加工工藝

TC4 鈦合金螺栓常見加工工藝為： 下料—熱鐓 （溫鐓）—噴砂—熱處理（固溶+時效）—精車—滾圓角（頭下R）—滾絲—無損探傷—表面處理。 為了保證頭部金屬流線的連續(xù)性，提升螺栓的疲勞性能，頭部成形時常采用熱鐓（或溫鐓）方式；精車目的是去除熱處理過程中產(chǎn)生的表面污染層和提高螺紋加工部位表面光潔度； 精車后在頭、桿結(jié)合部位需要滾圓角強(qiáng)化，提升頭、桿結(jié)合處強(qiáng)度，避免在使用過程中出現(xiàn)掉頭現(xiàn)象； 螺紋通常采用一次滾壓成形；螺栓最終性能可達(dá)到抗拉強(qiáng)度≥1100MPa，剪切強(qiáng)度≥670MPa。

3 TC4 鈦合金螺栓常見加工缺陷及預(yù)防措施

根據(jù)TC4 鈦合金螺栓常用加工工藝結(jié)合實際生產(chǎn)，TC4 螺栓常見缺陷主要集中在熱鐓、 熱處理及滾絲等關(guān)鍵工序。

3.1 熱鐓常見加工缺陷及預(yù)防

由于TC4 冷變形能力較差，冷鐓時易產(chǎn)生裂紋、折疊等缺陷，螺栓頭部成形常采用熱鐓方式。熱鐓是通過線圈高頻加熱后，在沖床上快速成形的一種方法。 TC4 鈦合金螺栓熱鐓典型缺陷如圖1 所示。

圖1 熱鐓常見典型缺陷Fig.1 Common typical defects in hot heading

圖1 顯示了TC4 螺栓熱鐓成形時常見典型加工缺陷。 圖1（a）原材料為退火態(tài)的α 相+晶間β 相組織；圖1（b） 熱鐓過熱組織呈近似等軸狀， 晶內(nèi)次生α 相呈短針狀；圖1（c）成形時流線流動不暢，造成的折疊；圖1（d）沉頭和十字槽一體成形時， 形成的絕熱剪切帶狀組織和空洞缺陷。

線圈高頻加熱時，由于電流的集膚效應(yīng)，熱量主要集中在加熱部位表面， 對于小規(guī)格螺栓可采用高頻加熱，對于大規(guī)格螺栓應(yīng)采用中頻加熱方式，更能保證加熱的均勻性， 資料表明熱鐓加熱溫度不宜超過890℃[7]；由于TC4 導(dǎo)熱性差，屬于絕熱敏感材料，在高速成形過程中，大量變形功轉(zhuǎn)化為熱量且無法及時擴(kuò)散，材料就會發(fā)生局部“熱穩(wěn)失效”， 這一區(qū)域與周圍基體的顯微組織存在較大差異，此變形區(qū)域即為絕熱剪切帶。由于絕熱剪切帶是一種局部失穩(wěn)現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)絕熱剪切帶時，材料承載能力顯著下降[8]。 因此，TC4 螺栓頭部鐓制成形時，尤其是大變形量頭型，如沉頭和十字槽一體成形，應(yīng)注意適當(dāng)提升溫度和增加保溫時間，以免在成形過程中，由于成形速率快，受剪切作用力而形成絕熱剪切帶和空洞。此缺陷主要位于螺栓內(nèi)部，在后續(xù)探傷工序中無法準(zhǔn)確識別，存在一定的質(zhì)量風(fēng)險。

3.2 熱處理常見加工缺陷及預(yù)防

TC4 鈦合金螺栓熱處理時， 需要真空或惰性氣體保護(hù)環(huán)境，熱處理方式為固溶+時效。 固溶處理加熱溫度一般控制在α/β 相轉(zhuǎn)變溫度以下（30～60）℃，以保證初生α 相在15%～50%范圍內(nèi)， 時效溫度一般選擇538℃保溫（4～8）h 空冷。 熱處理過程常見典型缺陷如圖2 所示。

圖2 顯示了熱處理典型缺陷組織。圖2（a）熱處理后正常顯微組織，初生α 相和轉(zhuǎn)變的β 相組織；圖2（b）表面污染層，表面存在密集的α 相和顯微裂紋；圖2（c）過熱魏氏組織，固溶溫度較高，在相變點溫度附近，基本無初生α 相，晶內(nèi)呈長針狀的α′ 相；圖2（d）熱鐓過熱組織，經(jīng)正常固溶和時效處理后， 組織仍然為短針狀和網(wǎng)狀的α′相及次生α 相的魏氏組織，由于熱鐓加熱時間短，所形成的魏氏組織比熱處理魏氏組織細(xì)小。

圖2 熱處理典型缺陷組織Fig.2 Common typical defects in heat treatment

表面污染層（α 層）是環(huán)境氣氛中的氧、氮、碳等小原子元素，在加熱過程中，當(dāng)產(chǎn)品表面溫度達(dá)到一定的范圍時，這些元素會通過擴(kuò)散滲入產(chǎn)品表面，從而產(chǎn)生由于α穩(wěn)定劑引起的污染。 表面污染層對鈦合金產(chǎn)品的斷裂韌性、抗拉強(qiáng)度、疲勞及沖擊性能等具有明顯的影響[9]，預(yù)防措施是TC4 螺栓在熱處理進(jìn)爐前，清洗干凈且徹底烘干，無油污及其他污物附著，定期清潔爐膛，在處理過程中應(yīng)保證爐子的真空度；充入惰性氣體保護(hù)時，應(yīng)確保惰性氣體的純度。魏氏組織缺陷主要為兩類，一為熱處理工藝不當(dāng)或熱處理爐出現(xiàn)問題，造成加熱溫度過高，二是熱鐓局部過熱產(chǎn)生的魏氏組織，熱處理無法補(bǔ)救；對于魏氏組織缺陷的預(yù)防，應(yīng)合理控制熱處理工藝，定期校準(zhǔn)真空爐，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整工藝和維修設(shè)備。

3.3 常見滾絲缺陷及預(yù)防

為了保證TC4 螺栓螺紋部位具有良好的疲勞性能，螺紋宜采用冷滾壓成形， 使牙根部位存在較大的壓應(yīng)力和保持金屬流線的連續(xù)性。 螺紋在擠壓成形過程中常見缺陷有開裂、折疊和螺紋微觀組織剪切等缺陷。具體如圖3 所示。

圖3 螺栓滾絲常見缺陷Fig.3 Common defects of bolt thread rolling

圖3 顯示了TC4 鈦合金螺栓在冷滾壓螺紋加工過程中存在的典型缺陷。圖3（a）由于時效后強(qiáng)度較高，導(dǎo)致滾絲時螺紋開裂， 折疊和開裂主要集中在牙頂部位； 圖3（b）牙根處產(chǎn)生的“V”型微觀剪切帶狀組織缺陷。

導(dǎo)致螺紋折疊和開裂的因素主要有： 螺紋牙成形過程中，牙頂主要受拉應(yīng)力作用而牙根受壓應(yīng)力作用；螺栓時效后強(qiáng)度較高，導(dǎo)致塑性變差；螺紋螺坯桿表面較為粗糙，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；滾絲前未對滾絲輪清洗，滾絲輪上可能有附著物；滾絲前調(diào)機(jī)時的螺紋對中問題等。為了減少牙頂折疊和開裂傾向，應(yīng)采取以下措施：提高螺紋加工部位表面光潔度，可采用磨削加工，磨削時應(yīng)注意潤滑冷卻以免產(chǎn)生燒傷；滾絲前，對滾絲輪進(jìn)行清洗，去除表面附著物；提高操作人員的責(zé)任心和熟練程度等。螺紋滾壓時，所受到的剪切應(yīng)力較大，由于螺紋成形速率較快，當(dāng)TC4 顯微組織為初生α 相+轉(zhuǎn)變的β 相時， 即時效態(tài)顯微組織，較易產(chǎn)生絕熱剪切帶[10]。 可采用降低滾壓成形速率和加大冷卻進(jìn)行改善。

4 結(jié)論

TC4 是國內(nèi)航空航天緊固件領(lǐng)域使用最為廣泛的鈦合金牌號。由于我國鈦合金緊固件研發(fā)及制造起步較晚，工藝成熟度還相對較低。 緊固件制造過程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要，本文結(jié)合生產(chǎn)實際，綜合分析了TC4 螺栓成形過程中常見典型缺陷及形成原因， 針對不同的缺陷制定了相應(yīng)的預(yù)防措施，為鈦合金螺栓工藝優(yōu)化提供支持，促進(jìn)TC4 鈦合金緊固件整體質(zhì)量的提升。