文章编号：1004-0609(2010)S1-s0070-05

紧固件用Ti-45Nb合金丝材的性能评价

商国强1，王新南1，唐  斌2，朱知寿1，寇宏超2，张丰收3，常  辉2

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；

2. 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072；

3. 西部超导材料科技有限公司，西安 710018)

摘  要：研究不同规格的Ti-45Nb合金丝材的显微组织和力学性能。结果表明：随着Ti-45Nb合金丝材尺寸的增大，其抗拉强度不断降低，但屈服强度和剪切强度不断增加，而显微组织以及拉伸塑性的变化幅度不是很明显；经热暴露后的Ti-45Nb合金丝材，拉伸强度明显增加，但拉伸塑性的下降也比较明显；不同规格的Ti-45Nb合金丝材经过冷顶锻测试后的样品表面均没有宏观裂纹萌生，表明材料具有良好的冷成形性能。

关键词：Ti-45Nb合金；紧固件；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.4　　     文献标志码：A

Property evaluation of Ti-45Nb alloy wires used in fastener

SHANG Guo-qiang1, WANG Xin-nan1, TANG Bin2, ZHU Zhi-shou1, KOU Hong-chao2,
ZHANG Feng-shou3, CHANG Hui2

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095, China;

2. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;

3. Western Superconducting Technologies Co., Ltd., Xi’an 710018, China)

Abstract: The microstructures and mechanical properties of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions were investigated. The results show that, with increasing the dimensions of Ti-45Nb alloy wires, the tensile strength of Ti-45Nb alloy decreases gradually, but the yield strength and tear strength increase gradually, the microstructures and tensile plasticity do not change obviously. After thermal exposure, the tensile strength increases obviously, but the tensile plasticity decreases. There is no macroscopic cracking initiation when Ti-45Nb alloy wires with different dimensions are cold upset, which indicates that the Ti-45Nb alloy wires have good properties of cold deformation and forming.

Key words: Ti-45Nb alloy; fastener; microstructure; mechanical property

自从20世纪50年代美国首次将TC4螺栓应用于B-52型轰炸机上，并且取得了非常好的减重效果后，国际上纷纷对钛合金紧固件进行了大量研究。国内外先进飞机选用越来越多的钛合金和复合材料，而作为复合材料连接件的钛合金紧固件的用量也随之增加。近年来，钛合金紧固件已经成功地代替部分比强度较低的钢制紧固件，取得非常明显的减重效果，广泛应用于近代航空和航天的机械连接结构中，从而进一步降低飞机的结构质量、提高连接部件的可靠性以及延长飞机的设计使用寿命^[1-4]。例如，波音747飞机紧固件以钛代钢后，其结构质量减轻了1 814 kg；俄罗斯的伊尔-96飞机，一架用14.2万件钛合金紧固件， 质量减轻达600 kg，对飞机和航天器在提高推力、增加射程、节省燃料、减少发射费用等方面都产生了巨大的技术经济效益^[5-8]。

Ti-45Nb合金作为一种铆钉专用材料，突出优点是塑性高(伸长率可达20%以上，断面收缩率高达60%~80%)，冷加工性能优异，其剪切强度和抗拉强度均高于纯钛的，并且变形抗力低于纯钛的，非常适合做复合材料连接用铆钉材料。国外针对Ti-45Nb合金进行了大量的基础研究工作^[9-13]，研制技术较为成熟，并于1974年列入AMS 4982规范，在航空航天产品中，已全面取代纯钛铆钉材料。该合金与Ti-6Al-4V 合金搭配，制成的双金属铆钉，已在空客和波音飞机上大量应用，因此美国在航空航天产品中全部改用冷加工性能优异的钛铌铆钉。

本文作者对比研究不同规格的Ti-45Nb合金丝材的组织和性能，为Ti-45Nb合金的制造和加工提供理论和实验依据。

1  实验

实验用原材料来源于西部超导材料科技有限公司生产的d 2.5 mm、d 4 mm和d 5 mm退火态丝材，其名义成分为Ti-45Nb。通过线切割的方法截取实验所需的3种规格Ti-45Nb试样。采用体积比为1(HNO)₃：3(HF)的腐蚀液对金相试样进行腐蚀；采用OLYMPUS GX51光学显微镜对3种规格的Ti-45Nb合金丝材进行显微组织观察；采用FEI F30透射电镜对Ti-45Nb合金丝材进行透射显微组织观察与分析；采用日本理学(D/max2400)X射线衍射仪对Ti-45Nb合金丝材进行相组成分析；利用型号为WAW-E500C的微型控制电液伺服万能实验机测定Ti-45Nb合金丝材冷的顶锻性能、拉伸性能和剪切性能。

2  结果与分析

2.1  不同规格的Ti-45Nb合金丝材的显微组织特征

图1所示为Ti-45Nb合金d 2.5 mm、d 4.0 mm以及d 5.0 mm 3种规格丝材的显微组织。其最终热处理状态为冷变形后进行(810 ℃, 1 h)真空退火，随后充氩气冷却。由图1可以看出，Ti-45Nb合金丝材冷拉后的显微组织在退火后已经获得回复并发生再结晶，晶粒呈等轴状。其中d 2.5 mm与d 4.0 mm丝材试样因冷轧加工变形量过大存在晶粒尺寸不均匀现象，而     d 5.0 mm丝材试样的晶粒大小则较为均匀。根据  GB/T 6394—2002的测试标准，3种Ti-45Nb合金丝材试样的晶粒尺寸均为37.8 μm，晶粒度均处于6.5的级别范围。

图1  不同规格Ti-45Nb合金丝材的显微组织

Fig.1  Microstructures of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions: (a) d 2.5 mm; (b) d 4.0 mm; (c) d 5.0 mm

2.2  不同规格的Ti-45Nb合金丝材的X射线分析

试验采用日本理学(D/max2400)X射线衍射仪对3种规格的Ti-45Nb合金丝材进行相组成分析，其中X射线扫描时间为20 min，实验结果如图2所示。由图2可以看出，3种规格的Ti-45Nb晶粒均有明显的取向性，为(110)取向，其主相为bcc结构。由于单质Nb和室温状态下的Ti的晶体结构均为体心立方结构，且Ti和Nb的原子半径很接近，分别为1.47 ?和1.46 ?^[14]，二者互溶形成体心立方的TiNb固溶体，因此，合金的晶格参数与纯金属相比变化不大，未发现其他析出相。

2.3  不同规格Ti-45Nb合金丝材的拉伸与剪切性能

图3所示为不同规格的Ti-45Nb合金丝材的力学性能和剪切性能。由图3可以看出，随着合金丝材直径的增大，其抗拉强度不断降低，但屈服强度和剪切强度却不断增加，拉伸塑性的变化不是很明显。直径为2.5 mm的合金丝材的抗拉强度和屈服强度分别达到570 MPa和425 MPa，保持着获得22%的伸长率和71%的断面收缩率。虽然随着丝材直径的增大，其抗拉强度有所降低，但均满足作为制造复合材料的铆钉连接件所要求的拉伸性能(441~490 MPa)、剪切强度(≥365 MPa)以及拉伸塑性(伸长率不小于10%，断面收缩率不小于50%)的技术指标，具有优异的力学性能。

图2  不同规格Ti-45Nb合金丝材的XRD谱

Fig.2  XRD patterns of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions

图3  不同规格Ti-45Nb合金丝材的力学性能

Fig.3  Mechanical properties of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions

2.4  不同规格Ti-45Nb合金丝材热暴露后的力学  性能

Ti-45Nb合金丝材经400 ℃热暴露100 h后的力学性能如图4所示。由图4可以看出，随着合金丝材直径的增大，其抗拉强度逐渐下降，而屈服强度、伸长率和断面收缩率的变化不是很明显。相对于未经热暴露的合金丝材(见图3)，热暴露后的Ti-45Nb合金丝材的抗拉强度和屈服强度均明显提高，但伸长率尤其是断面收缩率下降比较明显。

图5所示为尺寸规格为d4.0 mm的Ti-45Nb合金丝材经400 ℃热暴露100 h后的显微组织及衍射花样。由图5可以看出，经热暴露后，在Ti-45Nb合金的亚稳β基体内部析出细小针状的次生α相，且α相在晶粒内部分布均匀，尺寸为300 nm左右。由于数量及尺寸限制，选区电子衍射(SAD)中α相斑点较弱。正是由于在热暴露过程中析出的细小针状次生α相，使得Ti-45Nb合金得到明显的强化。

图4  不同规格的Ti-45Nb合金丝材经热暴露后的力学性能

Fig.4  Mechanical properties of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions after thermal exposure

图5  Ti-45Nb丝材经400 ℃热暴露100 h后的显微组织及衍射花样

Fig.5  Microstructure(a) and diffraction pattern(b) of Ti-45Nb alloy wires after thermal exposure for 100 h

2.5  不同规格Ti-45Nb合金丝材的冷顶锻性能

图6所示为不同规格的Ti-45Nb合金丝材进行冷顶锻性能测试后的照片，每个规格的丝材分别顶锻至原有高度的1/4。由图6可以看出，d 2.5 mm、d 4 mm和d 5 mm 3种规格的Ti-45Nb合金丝材在冷冲击载荷下均产生了较大的塑性变形，经过冷顶锻测试后的试样表面均没有产生宏观裂纹，表明材料具有良好的冷加工性能，冷成形性能优异。

图6  不同规格的Ti-45Nb合金丝材冷顶锻后的照片

Fig.6  Photo of Ti-45Nb alloy wires with different dimensions after cold upsetting: (a) d 2.5 mm; (b) d 4.0 mm; (c) d 5.0 mm

3  结论

1) 随着Ti-45Nb合金丝材尺寸的增大，其显微组织变化不是很明显，均呈等轴状，晶粒尺寸为37.8 μm，晶粒度均处于6.5的级别范围。

2) Ti-45Nb合金丝材的抗拉强度随尺寸的增加而降低，但屈服强度和剪切强度却不断增大，拉伸塑性的变化不是很明显。

3) 经热暴露后的Ti-45Nb合金丝材，其拉伸强度明显增加，而拉伸塑性的下降比较明显。

4) Ti-45Nb合金丝材在冷冲击载荷下均产生较大的塑性变形，试样表面均没有产生宏观裂纹，表明材料具有良好的冷成形性能。

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(编辑 杨 华)

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