隨著對飛機先進性要求的提高，對緊固件材料的要求越來越高，高強度、高減重、耐腐蝕、無磁性、與復合材料相容性好的鈦合金逐漸成為先進飛機緊固件材料的首要選擇［1-4］。鈦合金的熱處理方式通常包括退火和固溶+時效處理［5］，而固溶+時效的熱處理方式是獲得高強度緊固件的有效措施。TC4(Ti-6Al-4V)合金作為雙相鈦合金，由于其良好的綜合性能及工藝特性，成為鈦工業中的王牌合金，被廣泛地應用于化工、電力、航空航天、體育器械等領域［6］。TC4鈦合金經固溶+時效處理后可以獲得穩定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩定β相，而等軸α相使合金的綜合力學性能得到提升，彌散的馬氏體α'相使合金的強度、硬度提高，塑性韌性下降［7］。棒材在固溶時效過程中不同位置的冷卻速度存在差異，而冷卻速度是影響組織和性能的主要因素之一［8］，因此，本文通過對航天用緊固件TC4鈦合金棒材進行固溶時效處理，觀察并檢測試樣邊部至心部的顯微組織、顯微硬度和室溫拉伸性能，探究冷卻速度對緊固件用TC4鈦合金組織與性能的影響規律。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

采用航天緊固件材料TC4鈦合金φ25mm的棒材作為試驗用料，該棒材經真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制制成，其鑄錠化學成分符合GB/T3620.1-2016中《鈦及鈦合金加工產品化學成分》的要求，如表1所示。

1.2試驗方法

將直徑為φ25mm，長度為80mm的棒材于960℃裝爐，待爐溫升至960℃后保溫1h，取出水冷，延遲淬火時間不超過5s，隨后進行550℃保溫8h的時效處理。取試樣端部(L)和中部(L/2)處制成金相試樣，采用OLYMPICSPLAG3光學顯微鏡分別觀察L和L/2處截面上邊部至心部的顯微組織(見圖1(a))，同時采用硬度計檢測L和L/2處截面上邊部至心部的顯微硬度值，檢測位置見圖1(b)，硬度采用401MVD數顯顯微維氏硬度計測量，荷載砝碼為500g，保壓時間為10s。

在同一支φ25mm棒材上連續取4支80mm長的試樣，其中2支試樣在其中心縱向掏出φ8mm的棒材，剩余部分標記為3號、4號試樣，剩余2支試樣標記為1號和2號(見圖2)。同時采用960℃×1h，水冷+550℃×8h的熱處理制度對4支試樣進行固溶時效處理，并檢測其室溫拉伸性能。

2、試驗結果與討論

2.1冷卻速度對顯微組織的影響

對于大多數鈦合金而言，其力學性能很大程度上取決于α相的含量和形態，其中在兩相區保溫過程中等軸α相能夠對β相起到釘扎作用，抑制β相的長大，提高材料的塑性和抗疲勞特性;片狀α相具有較高的強度和斷裂韌性［8-10］;針狀α相均勻地分布在β相基體上，能夠起到彌散強化效果［11-13］。 試樣端部(L)和中部(L/2)截面上的顯微組織如圖3所示，其中圖3(a～c)是試樣端部(L)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織，圖3(d～f)是試樣中部(L/2)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ處的顯微組織。從圖3可以看出，合金的組織受冷卻速度的影響較明顯。固溶時效后的顯微組織為混合組織，包含穩定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩定β相［13］。初生α相含量與固溶溫度有關［11］，因此初生α相含量和形態沒有明顯差別，L截面在冷卻過程中與水接觸，不同位置的冷卻速度相差不大，次生α相的形態和含量沒有明顯差異［14］;L/2截面上邊部至心部的冷卻速度逐漸減小，而冷卻速度直接決定次生α相的片層厚度，在組織上表現為次生α相含量增多，同時次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化，見圖3(d～f);對比L截面與L/2截面也可發現圖3(a～d)的組織形態類似，但圖3(e，f)組織中初生α相含量少于邊部組織。

2.2冷卻速度對硬度的影響

試樣L和L/2截面上邊部至心部的顯微硬度值如圖4所示。從圖4可以看出，L截面因冷卻速度相差不大所以顯微硬度值沒有明顯區別，L/2截面上由試樣邊部至心部的顯微硬度值呈總體下降趨勢，同時L/2截面上邊部的顯微硬度值與L截面相差不大，此結果與理論相符合［15-16］。

2.3冷卻速度對室溫拉伸性能的影響

4支試樣的室溫拉伸性能見表2，從表2可以看出，4支試樣的伸長率均符合GJB2219-1994《緊固件用鈦合金棒(線)材規范》要求，3、4號試樣的抗拉強度和規定塑性延伸強度明顯高于1、2號試樣，且符合標準要求，這是因為1、2號試樣的心部在固溶時效時冷卻緩慢，而3、4號試樣是在去掉心部后直接進行固溶時效處理，能得到充分的加熱從而保留較多的初生α相，同時冷速較快使等軸狀次生α相含量減少，這種有較多初生α相和較少次生α相的雙態組織會使合金的強度升高，塑性降低。

通過4支試樣的室溫拉伸性能比較，可以認為固溶時效過程中的冷卻速度通過影響初生α相的含量以及次生α相含量和形態從而影響試樣的室溫拉伸性能。

3、結論

1)TC4鈦合金棒材經固溶時效處理后心部和表面的組織與性能受冷卻速度的影響呈現顯著差異。

2)TC4鈦合金棒材固溶時效后的顯微組織由穩定的等軸α相、彌散的馬氏體α'相和亞穩定β相組成，試樣端面上次生α相的形態和含量沒有明顯差異;中部截面上邊部至心部的次生α相含量逐漸增多，同時次生α相片層厚度逐漸增大并趨于等軸化;對比端部與中部截面邊部初生α相含量和形態沒有明顯差異。

3)TC4鈦合金棒材端面上顯微硬度值沒有明顯差異，但中部截面上由邊部至心部的顯微硬度值呈總體降低趨勢，且中部截面上邊部的顯微硬度值與端面相差不大。

4)TC4鈦合金棒材心部因固溶過程中冷卻緩慢，棒材整體試樣的室溫拉伸性能不符合標準，且明顯低于去除心部的試樣。

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