发布日期：2025-9-22 17:44:15
引言
目前，与发达国家相比，我国紧固业技术发展起步较晚，还需相关学者对其进行大力创新和研发。TC16作为一种常见的钛合金，被广泛地应用于机械紧固件中。为提高钛合金使用性能，除了要做好对TC16钛合金的耐磨损性能的优化和提升外，还要确保其抗高温氧化性能不断提升。相关研究表明[1]：通过将Sr合金元素添加到合金中，可以实现对金属抗高温氧化性能的有效提高；通过将La、Ce等稀土元素添加到合金中[2]，从而保证内部晶粒的细化程度。
但是，与TC16钛合金相比，机械紧固件使用新型钛合金不仅可以显著提高其耐磨损性能，还能提高其抗高温氧化性能，从而更好地符合市场需求。所以，为实现对新型钛合金使用寿命的有效延长，如何对新型钛合金机械紧固件进行锻造温度优化是技术人员必须思考和解决的问题。
1、试验过程
1.1锻造试验
本次试验，以“Ti-3Al-5Mo-4.5V-1Sr-0.5Ce”新型钛合金为研究对象，新型钛合金的化学成分如表1所示。在选用坯料时，要优先选用棒状铸锭[3]，通过运用镦粗方式，对新型钛合金进行锻造试验[4]。在整个锻造试验期间，要将磨具预热温度始终控制为380℃[5]，将镦粗变形量控制为40%。
表 1 新型钛合金的化学成分（%, 质量分数）
| 合金化学元素 | 合金化学成分 |
| 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 |
通过对试样的始锻温度和终锻温度进行有效控制[6]，获得如表2所示的试样的锻造温度参数。
表 2 试样锻造温度参数
| 试样编号 | 始锻温度 / ℃ | 终锻温度 / ℃ |
| 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性能测试
在本次试验中，所用到的试验机型号为GWY-200，为保证室温磨损试验结果的精确性和真实性，要优先选用Si3N4陶瓷球，并将其作为磨材，同时，将磨轮转速和载荷力分别控制为310r.min-1、120N。在正式进入磨损试验之前，使用天平对试块质量进行精确化称量。经过30min磨损处理后，需对磨损后的试样质量进行再次称重，并精确计算出最终试样的磨损体积[7]。另外，还要利用扫描电镜法，细致观察和了解试样表面的磨损程度，同时，还要将氧化试样的环境温度控制为650℃以下，然后，对其进氧化试验。整个试验时间控制为48h以内，避免因试验时间过长而影响最终试验结果。为保证试验结果的精确性和真实性，要对各个试样进行切分，使其切分为3组试样，试样类型包含磨损试样和氧化试样两种，两种试样的形状均为圆形，其长、宽分别为19mm、9mm，最后，采用算数平均值计算法，获得相应试验结果。
2、试验结果及分析
2.1磨损性能
2.1.1不同始锻温度下变化情况
试样磨损性能在不同始锻温度下变化曲线图如图1所示，从图1中可以看出，当始锻温度超过1020℃，低于1100℃时，试样磨损体积先是逐渐减小，然后不断上升，其最小值为20×10-3mm3；最大值为31×10-3mm3。当磨损体积达到最低时，耐磨损性能达到最佳状态。所以，对于新型钛合金试样而言，其耐磨损性能呈现出先增加后减小的趋势。当始锻温度分别达到1020℃时，试样磨损体积显著上升，达到31×10-3mm3；当始锻温度达到1040℃时，试样的磨损体积为28×10-3mm3；当始锻温度升高至1060℃时，试样的磨损体积有所下降，降低至25×10-3mm3；接着，继续升高始锻温度，当其升高到1080℃时，试样的磨损体积继续下降，下降至20×10-3mm3；此时，继续升高始锻温度，当其升至1100℃时，试样的磨损体积有所上升，上升至22×10-3mm3。当始锻温度达到1080℃时，锻造所对应的合金磨损体积达到最小值，体积减小幅度达到35.48%，从而获得最佳耐磨损性能。
2.1.2不同终锻温度下变化情况
试样在不同终锻温度下变化曲线如图2所示，从图2可以看出，当终锻温度超过800℃，而低于880℃时，试样磨损体积先是逐渐上升，然后不断减小，其最小值为20×10-3mm3，最大值为35×10-3mm3。当终锻温度达到800℃时，试样的磨损体积达到最大值，即35×10-3mm3；当终锻温度不断升高，升高至820℃时，试样的磨损体积有所下降，下降至29×10-3mm3；接着，继续升高终锻温度，当其上升至840℃时，试样的磨损体积继续下降，降至24×10-3mm3；此时，继续升高终锻温度，当升至860℃时， 试样的磨损体积不断下降，降至20×10-3mm3；继续升高终锻温度，当升至880℃时，试样的磨损体积不变，始终保持为20×10-3mm3。整个试样磨损体积不断下降，下降幅度达到42.86%，此时，可以获得最佳耐磨损性能。
2.1.3试样磨损形貌
当始锻温度达到1020℃时，试样表面出现比较明显的磨痕，同时，还增加沟槽的密度和深度，当试样表面含有大量的磨屑时，剥层脱落面积达到最大值，这无疑增加磨损程度；当始锻温度不断升高，升高至1080℃时，试样表面出现轻微磨损现象，试样表面相对比较光滑；当始锻温度达到1100℃时，试样表面出现磨痕程序相对较高，其磨损程度超过试样1，但是，低于试样4。总之，新型钛合金试样的室温磨损性能由小到大的顺序为试样1、试样5、试样4。
2.2抗高温氧化性能
2.2.1不同始锻温度下变化情况
在机械紧固件使用下，试样抗高温氧化性能在不同始锻温度下变化曲线如图3所示，从图3中可以看出，始锻温度最小值为1020℃，最大值为1100℃，对于新型钛合金而言，其单位面积质量增重最小值为8g.m-2，最大值为44g.m-2，整体呈现先降低后上升的趋势。该试样抗高温氧化性能会随着单位面积质量增加的不断下降而呈现不断下降的趋势。所以，当始锻温度分别达到1020℃时，试样单位面积质量增重达最大值，即44g.m-2；当始锻温度达到1040℃时，试样的单位面积质量增重有所下降，降至40g.m-2；当始锻温度达到1060℃时，新型钛合金试样的单位面积质量增重为36g.m-2；当始锻温度达到1080℃时，试样的单位面积质量增重继续下降，降至28g.m-2；当始锻温度达到1100℃时，试样的单位面积质量增重逐渐上升，升至31g.m-2。当始锻温度达到1080℃时，锻造所对应的合金磨损单位面积质量达到最小值，其减小幅度达到36.36%，从而获得最佳抗高温氧化性能。为提高机械紧固件所使用的新型钛合金抗高温优化性能，需将试样的始锻温度设置为1080℃。
2.2.2不同终锻温度下变化情况
试样抗高温氧化性能在不同终锻温度下变化曲线如图4所示，从图4中可以看出，终锻温度最小值为800℃，最大值为880℃，对于新型钛合金而言，其单位面积质量增重最小值为27g.m-2，最大值为46g.m-2，整体呈现不断降低的趋势。该试样抗高温氧化性能会随着单位面积质量增重的不断上升而呈现上升趋势。
当终锻温度分别达到800℃时，新型钛合金试样单位面积质量增重为46g.m-2；当终锻温度达到820℃时，新型钛合金试样的单位面积质量增重为39g.m-2；当终锻温度达到840℃时，试样的单位面积质量增重有所下降，降至34g.m-2；当终锻温度达到860℃时，试样的单位面积质量增重继续下降，降至28g.m-2；此时，继续升高终锻温度，当升至880℃时，试样的单位面积质量增重略有下降，降至27g.m-2。当终锻温度始锻温度达到860℃或者880℃时，试样单位面积质量增重均达最小值，其减小幅度分别达到39.13%、41.3%，从而获得最佳抗高温氧化性能。为提高机械紧固件所使用的新型钛合金抗高温优化性能，需将试样的终锻温度设置为860℃以上。
3、结论
（1）当始锻温度不断上升至1100℃时，无论是试样磨损体积，还是单位面积增重均呈现先减小后增加的趋势，当始锻温度达到1080℃时，其试样的磨损体积有所下降，其下降幅度达到35.48%，单位面积质量增重有所下降，其下降幅度达到36.36%。当终锻温度达到860℃时，试样的磨损体积继续下降，下降幅度为42.86%，单位面积质量增重也出现明显下降，其下降幅度达到39.13%。
（2）在新型钛合金的应用背景下，为保证机械紧固件的耐磨性能和抗氧化性能，需要将始锻温度和终锻温度分别控制为1080℃、860℃。
参考文献：
[1]朱知寿,王庆如,郑永灵,等.损伤容限型钛合金新型β锻造工艺[J].中国有色金属学报,2017,14(z3):13-16.
[2]张洺川,牟义强,姚楠,等.锻造温度变化对一种低成本钛合金组织及性能的影响[J].户外装备,2022(3):22-24.
[3]张俊杰,董轶,欧笑笑,等.自由锻造TC17钛合金饼材的组织与性能研究[J].世界有色金属,2021(18):139-140.
[4]甘伟,项俊锋,黄芳.锻造温度对汽车用新型钛合金性能的影响[J].兵器材料科学与工程,2019,42(5):70-73.
[5]王洪广.锻造温度对新型含铌汽车钛合金棒材性能的影响[J].锻压技术,2018,43(8):13-16.
[6]张业勤,齐立春,黄利军,等.锻造工艺对新型中强耐腐蚀钛合金棒材组织及性能的影响[J].科技与创新,2020(12):32-35.
[7]朱知寿,王庆如,郑永灵,等.损伤容限型钛合金新型β锻造工艺[J].中国有色金属学报,2017,14(z2):13-16.
（注，原文标题：新型钛合金机械紧固件锻造温度优化方案）
tag标签:机械紧固件,Sr/Ce微合金化,新型钛合金,锻造工艺窗口,性能调控机制