引言

目前，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)緊固業(yè)技術(shù)發(fā)展起步較晚，還需相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行大力創(chuàng)新和研發(fā)。TC16作為一種常見(jiàn)的鈦合金，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械緊固件中。為提高鈦合金使用性能，除了要做好對(duì)TC16鈦合金的耐磨損性能的優(yōu)化和提升外，還要確保其抗高溫氧化性能不斷提升。相關(guān)研究表明[1]：通過(guò)將Sr合金元素添加到合金中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬抗高溫氧化性能的有效提高；通過(guò)將La、Ce等稀土元素添加到合金中[2]，從而保證內(nèi)部晶粒的細(xì)化程度。

但是，與TC16鈦合金相比，機(jī)械緊固件使用新型鈦合金不僅可以顯著提高其耐磨損性能，還能提高其抗高溫氧化性能，從而更好地符合市場(chǎng)需求。所以，為實(shí)現(xiàn)對(duì)新型鈦合金使用壽命的有效延長(zhǎng)，如何對(duì)新型鈦合金機(jī)械緊固件進(jìn)行鍛造溫度優(yōu)化是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1、試驗(yàn)過(guò)程

1.1鍛造試驗(yàn)

本次試驗(yàn)，以“Ti-3Al-5Mo-4.5V-1Sr-0.5Ce”新型鈦合金為研究對(duì)象，新型鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。在選用坯料時(shí)，要優(yōu)先選用棒狀鑄錠[3]，通過(guò)運(yùn)用鐓粗方式，對(duì)新型鈦合金進(jìn)行鍛造試驗(yàn)[4]。在整個(gè)鍛造試驗(yàn)期間，要將磨具預(yù)熱溫度始終控制為380℃[5]，將鐓粗變形量控制為40%。

表 1 新型鈦合金的化學(xué)成分（%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

合金化學(xué)元素	合金化學(xué)成分
Al	2.6~3.6
Mn	4.6~5.6
Varchar ( 30 )	4.1~5.1
Ce	0.4~0.8
Sr	0.9~1.3
Si	≤ 0.16
Fe	≤ 0.26
O	≤ 0.16
C	≤ 0.2
Ti	余量

通過(guò)對(duì)試樣的始鍛溫度和終鍛溫度進(jìn)行有效控制[6]，獲得如表2所示的試樣的鍛造溫度參數(shù)。

表 2 試樣鍛造溫度參數(shù)

試樣編號(hào)	始鍛溫度 / ℃	終鍛溫度 / ℃
1	1020	860
2	1040	860
3	1060	860
4	1080	860
5	1100	860
7	1079	799
8	1079	819
9	1079	839
10	1079	879

1.2性能測(cè)試

在本次試驗(yàn)中，所用到的試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為GWY-200，為保證室溫磨損試驗(yàn)結(jié)果的精確性和真實(shí)性，要優(yōu)先選用Si3N4陶瓷球，并將其作為磨材，同時(shí)，將磨輪轉(zhuǎn)速和載荷力分別控制為310r.min-1、120N。在正式進(jìn)入磨損試驗(yàn)之前，使用天平對(duì)試塊質(zhì)量進(jìn)行精確化稱(chēng)量。經(jīng)過(guò)30min磨損處理后，需對(duì)磨損后的試樣質(zhì)量進(jìn)行再次稱(chēng)重，并精確計(jì)算出最終試樣的磨損體積[7]。另外，還要利用掃描電鏡法，細(xì)致觀(guān)察和了解試樣表面的磨損程度，同時(shí)，還要將氧化試樣的環(huán)境溫度控制為650℃以下，然后，對(duì)其進(jìn)氧化試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間控制為48h以?xún)?nèi)，避免因試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響最終試驗(yàn)結(jié)果。為保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性和真實(shí)性，要對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行切分，使其切分為3組試樣，試樣類(lèi)型包含磨損試樣和氧化試樣兩種，兩種試樣的形狀均為圓形，其長(zhǎng)、寬分別為19mm、9mm，最后，采用算數(shù)平均值計(jì)算法，獲得相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1磨損性能

2.1.1不同始鍛溫度下變化情況

試樣磨損性能在不同始鍛溫度下變化曲線(xiàn)圖如圖1所示，從圖1中可以看出，當(dāng)始鍛溫度超過(guò)1020℃，低于1100℃時(shí)，試樣磨損體積先是逐漸減小，然后不斷上升，其最小值為20×10^-3mm³；最大值為31×10^-3mm³。當(dāng)磨損體積達(dá)到最低時(shí)，耐磨損性能達(dá)到最佳狀態(tài)。所以，對(duì)于新型鈦合金試樣而言，其耐磨損性能呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)始鍛溫度分別達(dá)到1020℃時(shí)，試樣磨損體積顯著上升，達(dá)到31×10^-3mm³；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1040℃時(shí)，試樣的磨損體積為28×10^-3mm³；當(dāng)始鍛溫度升高至1060℃時(shí)，試樣的磨損體積有所下降，降低至25×10^-3mm³；接著，繼續(xù)升高始鍛溫度，當(dāng)其升高到1080℃時(shí)，試樣的磨損體積繼續(xù)下降，下降至20×10^-3mm³；此時(shí)，繼續(xù)升高始鍛溫度，當(dāng)其升至1100℃時(shí)，試樣的磨損體積有所上升，上升至22×10^-3mm³。當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1080℃時(shí)，鍛造所對(duì)應(yīng)的合金磨損體積達(dá)到最小值，體積減小幅度達(dá)到35.48%，從而獲得最佳耐磨損性能。

2.1.2不同終鍛溫度下變化情況

試樣在不同終鍛溫度下變化曲線(xiàn)如圖2所示，從圖2可以看出，當(dāng)終鍛溫度超過(guò)800℃，而低于880℃時(shí)，試樣磨損體積先是逐漸上升，然后不斷減小，其最小值為20×10^-3mm³，最大值為35×10^-3mm³。當(dāng)終鍛溫度達(dá)到800℃時(shí)，試樣的磨損體積達(dá)到最大值，即35×10^-3mm³；當(dāng)終鍛溫度不斷升高，升高至820℃時(shí)，試樣的磨損體積有所下降，下降至29×10^-3mm³；接著，繼續(xù)升高終鍛溫度，當(dāng)其上升至840℃時(shí)，試樣的磨損體積繼續(xù)下降，降至24×10^-3mm³；此時(shí)，繼續(xù)升高終鍛溫度，當(dāng)升至860℃時(shí)， 試樣的磨損體積不斷下降，降至20×10^-3mm³；繼續(xù)升高終鍛溫度，當(dāng)升至880℃時(shí)，試樣的磨損體積不變，始終保持為20×10^-3mm³。整個(gè)試樣磨損體積不斷下降，下降幅度達(dá)到42.86%，此時(shí)，可以獲得最佳耐磨損性能。

2.1.3試樣磨損形貌

當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1020℃時(shí)，試樣表面出現(xiàn)比較明顯的磨痕，同時(shí)，還增加溝槽的密度和深度，當(dāng)試樣表面含有大量的磨屑時(shí)，剝層脫落面積達(dá)到最大值，這無(wú)疑增加磨損程度；當(dāng)始鍛溫度不斷升高，升高至1080℃時(shí)，試樣表面出現(xiàn)輕微磨損現(xiàn)象，試樣表面相對(duì)比較光滑；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1100℃時(shí)，試樣表面出現(xiàn)磨痕程序相對(duì)較高，其磨損程度超過(guò)試樣1，但是，低于試樣4。總之，新型鈦合金試樣的室溫磨損性能由小到大的順序?yàn)樵嚇?、試樣5、試樣4。

2.2抗高溫氧化性能

2.2.1不同始鍛溫度下變化情況

在機(jī)械緊固件使用下，試樣抗高溫氧化性能在不同始鍛溫度下變化曲線(xiàn)如圖3所示，從圖3中可以看出，始鍛溫度最小值為1020℃，最大值為1100℃，對(duì)于新型鈦合金而言，其單位面積質(zhì)量增重最小值為8g.m^-2，最大值為44g.m^-2，整體呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。該試樣抗高溫氧化性能會(huì)隨著單位面積質(zhì)量增加的不斷下降而呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。所以，當(dāng)始鍛溫度分別達(dá)到1020℃時(shí)，試樣單位面積質(zhì)量增重達(dá)最大值，即44g.m^-2；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1040℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重有所下降，降至40g.m^-2；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1060℃時(shí)，新型鈦合金試樣的單位面積質(zhì)量增重為36g.m^-2；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1080℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重繼續(xù)下降，降至28g.m^-2；當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1100℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重逐漸上升，升至31g.m^-2。當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1080℃時(shí)，鍛造所對(duì)應(yīng)的合金磨損單位面積質(zhì)量達(dá)到最小值，其減小幅度達(dá)到36.36%，從而獲得最佳抗高溫氧化性能。為提高機(jī)械緊固件所使用的新型鈦合金抗高溫優(yōu)化性能，需將試樣的始鍛溫度設(shè)置為1080℃。

2.2.2不同終鍛溫度下變化情況

試樣抗高溫氧化性能在不同終鍛溫度下變化曲線(xiàn)如圖4所示，從圖4中可以看出，終鍛溫度最小值為800℃，最大值為880℃，對(duì)于新型鈦合金而言，其單位面積質(zhì)量增重最小值為27g.m^-2，最大值為46g.m^-2，整體呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)。該試樣抗高溫氧化性能會(huì)隨著單位面積質(zhì)量增重的不斷上升而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

當(dāng)終鍛溫度分別達(dá)到800℃時(shí)，新型鈦合金試樣單位面積質(zhì)量增重為46g.m^-2；當(dāng)終鍛溫度達(dá)到820℃時(shí)，新型鈦合金試樣的單位面積質(zhì)量增重為39g.m^-2；當(dāng)終鍛溫度達(dá)到840℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重有所下降，降至34g.m^-2；當(dāng)終鍛溫度達(dá)到860℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重繼續(xù)下降，降至28g.m^-2；此時(shí)，繼續(xù)升高終鍛溫度，當(dāng)升至880℃時(shí)，試樣的單位面積質(zhì)量增重略有下降，降至27g.m^-2。當(dāng)終鍛溫度始鍛溫度達(dá)到860℃或者880℃時(shí)，試樣單位面積質(zhì)量增重均達(dá)最小值，其減小幅度分別達(dá)到39.13%、41.3%，從而獲得最佳抗高溫氧化性能。為提高機(jī)械緊固件所使用的新型鈦合金抗高溫優(yōu)化性能，需將試樣的終鍛溫度設(shè)置為860℃以上。

3、結(jié)論

（1）當(dāng)始鍛溫度不斷上升至1100℃時(shí)，無(wú)論是試樣磨損體積，還是單位面積增重均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)始鍛溫度達(dá)到1080℃時(shí)，其試樣的磨損體積有所下降，其下降幅度達(dá)到35.48%，單位面積質(zhì)量增重有所下降，其下降幅度達(dá)到36.36%。當(dāng)終鍛溫度達(dá)到860℃時(shí)，試樣的磨損體積繼續(xù)下降，下降幅度為42.86%，單位面積質(zhì)量增重也出現(xiàn)明顯下降，其下降幅度達(dá)到39.13%。

（2）在新型鈦合金的應(yīng)用背景下，為保證機(jī)械緊固件的耐磨性能和抗氧化性能，需要將始鍛溫度和終鍛溫度分別控制為1080℃、860℃。

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（注，原文標(biāo)題：新型鈦合金機(jī)械緊固件鍛造溫度優(yōu)化方案）

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tag標(biāo)簽:機(jī)械緊固件,Sr/Ce微合金化,新型鈦合金,鍛造工藝窗口,性能調(diào)控機(jī)制

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