紧固件用Ti5523合金热处理与成型工艺的研究

摘 要
钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、耐高温等优异的性能,因此被广泛应用在航空航天产业上。随着航空航天产业的需求增长,各种新型钛合金材料层出不穷。目前,研究能够替代航空航天用高强度钢材料的高强钛合金材料是热门方向,而能够将这些高强钛合金材料实际应用到航空航天产业更是重中之重。
Ti5523合金是我国自主研制的高强钛合金材料,本论文是利用紧固件用Ti5523合金研制航空航天用高强度钛合金紧固件,为国内高强度钛合金紧固件的生产提供参考,具体内容如下:
1、对紧固件用Ti5523材料的热处理制度进行研究,制定出了能在实际生产过程中使该材料满足高强度钛合金紧固件使用要求的热处理制度。
2、对Ti5523型钛合金紧固件制定出生产工艺流程,并在实际生产过程中不断改进优化工艺流程。
3、针对紧固件研制过程中的重要环节,在热镦环节设计了适合于镦制Ti5523型紧固件的模具,并调整热镦工艺参数使紧固件头部成型合格;在滚丝环节要针对热处理后材料的力学性能不断改进滚丝工艺参数使紧固件螺纹合格;在冷挤R环节要通过工艺参数研究挤R参数与紧固件疲劳性能的关系。通过对紧固件生产重点环节中材料的微观组织研究组织与性能之间的关系。
关键词:钛合金;高强度;热处理;热镦;滚丝;冷挤R
1 绪论
1.1钛及钛合金概述
地壳中钛含量极高,地壳元素排名第10(氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛)。十八世纪九十年代左右钛被发现。但它并非如铁的发现一样能够很容易的被提炼出来。这主要是由于钛的化学性质比较活泼,且它的熔点较高所以高纯度的钛很难熔炼。
常见的纯钛锭的生产工艺路线见图1.1,通常来说,军品用钛合金都要采用三次熔炼工艺。此外,β钛合金均采用三次熔炼的方法,用来保证合金元素的均匀性。
钛合金有如下优点[4]:
①钛合金的比强度要高于其他金属材料。钛合金密度仅为钢的一般,纯钛的强度却能与一般钢材料强度相当。有些高强度钛合金强度已经达到高强度钢的强度。
②钛合金在高温和低温环境中表现良好。在高温时,以航空航天常见TC4材料为例,TC4钛合金在350℃时还具有良好的性能表现。高温钛合金如Ti60、Ti55可以在600℃左右的高温保持稳定的力学性能[5]。在低温时,例如TA7 ELI合金,在-253℃还可保持一定的力学性能。
③抗腐蚀性能优异。钛合金除可以被氢氟酸等少数强酸腐蚀外,其他腐蚀剂几乎都不能腐蚀钛合金。钛合金能在潮湿的环境和海洋中高盐度地区应用,工业纯钛在射流10~20m/s下的海水中腐蚀83天失重为0mg/cm2,而不锈钢失重在0.9 mg/cm2,性能远优于不锈钢。
5 结论与展望
5.1 结论
本论文通过使用对紧固件用Ti5523合金热处理的方法使热处理后的合金力学性能满足高强钛合金紧固件的性能要求。并针对热处理后的合金性能进行紧固件成型工艺的研究,重点针对热镦、滚丝、冷挤R三个方面进行了研究,得出结论如下:
1、通过在工厂实践经验发现,Ti5523合金在770℃固溶1h,485℃时效8h后抗拉强度≥1300MPa,剪切强度≥745MPa,满足高强钛合金紧固件的性能要求,并将此热处理制度作为紧固件生产时所用的热处理制度。
2、研究发现为Ti5523合金设计的热镦模具满足紧固件头部加工的要求,当热镦工艺参数为加热9s,保温1s,电流35A时紧固件头部热镦成形性合格。
3、将倒角角度设计为20°±5°,过度圆弧半径R设为0.9mm,螺纹引导处小圆直径控制在Φ3.70 -0.3mm。并将滚丝参数设为进给速度时,滚压的螺纹合格。
4、挤R满足要求时,疲劳寿命在参数下可达13万次不断裂。
5.2 展望
随着航空航天产业的发展,适合于生产钛合金紧固件的材料不断出现,它对材料提出了更高的要求,既要求钛合金材料要有更好的强韧匹配度,有要求材料性价比更高。同时,针对钛合金紧固件的生产难点不断开发新工艺,使紧固件的生产更加成功。
当前,航空航天紧固件的先进技术仍然掌握在少数发达国家手中,如美国的美铝公司、SPS公司等,国内对钛合金高强紧固件生产能力不足,航空航天用高强度紧固件大部分还需要从国外进口,浪费了大量财力物力,研究高强钛合金紧固件的任务任重而道远。

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