发布日期：2026-1-21 21:01:27
TC4钛合金是一种具有中等强度的α+β型两相钛合金，表现出卓越的综合性能，具有高强度以及优异的耐腐蚀性[14]，能在400℃或-196℃的温度下保持良好的力学性能，已成为目前使用最广泛的一种钛合金，在航空航天紧固件领域大量应用[540]。钛合金螺栓作为航空装备基础件，直接决定了航空装备的可靠性，然而TC4钛合金塑料差，属于典型的难加工材料。如果坯料的热处理或滚压工艺参数选择不当时,在螺纹成形过程中常出现裂纹、折叠、齿底应力线等缺陷。现有文献多对TC4钛合金摩擦机理[1]、剪切强度[2]、疲劳寿命[4]、滚压强化机理和模拟研究进行报道[6,9-15],但是鲜有针对前述螺纹滚压成形中出现缺陷进行改善研究的文献报道，尤其是针对不同热处理温度以及滚压参数对TC4钛合金螺栓的螺纹缺陷影响还缺乏系统研究。为了探究和改善TC4钛合金螺纹在不同热处理温度以及滚压参数下的螺纹缺陷形貌，本研究通过设置不同的热处理温度、滚压参数，以典型TC4钛合金螺栓为对象,揭示不同工艺参数下螺纹的失效机理,指导TC4钛合金螺栓的螺纹制造工艺设计。
1、螺纹滚压原理及常见缺陷
TC4钛合金螺栓螺纹成形机理如图1所示，其为一种无屑的加工方法，滚压过程中有两个滚丝轮采用相同的转速同向旋转，其中滚丝轮1为固定轮，滚丝轮2为活动轮可左右移动，螺栓置于支撑板上，滚丝轮2在旋转的同时向滚丝轮1方向以一定的速度移动,随着滚丝轮2移动的距离逐渐靠近滚丝轮1，材料随着滚丝轮的螺旋线开始流动,形成螺纹,螺栓材料流动趋势图如图2所示。TC4钛合金螺栓在螺纹滚压后,最常见的缺陷形式有牙尖缺陷、牙侧缺陷以及牙底缺陷,见图3。
2、试验方案设计
为了研究工艺参数对TC4钛合金螺栓螺纹缺陷的影响，本研究设计了分组试验方案。通过设置不同热处理制度及滚压参数,并采用金相法(侵蚀剂:氢氟酸15mL+硝酸(化学纯)35mL+水950mL混合溶液，侵蚀时间为15~20s)、荧光法等检查TC4钛合金螺栓螺纹，以明确工艺-缺陷之间的关系性及缺陷敏感性，TC4钛合金螺栓螺纹主要加工工艺参数如图4所示，对固溶温度、时效温度、时效保温时间、螺纹滚压进给时间、主轴转速、保压时间这6个主要加工工艺参数开展研究分析。
3、试验结果与分析
3.1固溶温度
根据GJB3763A一2004《钛及钛合金热处理》规范要求，钛合金螺栓固溶保温温度为899~968℃，固溶时间要求为30~120min。结合以往的试验结果，当固溶温度低于920℃时，显微组织存在大量的α相组织,不利于螺栓的力学性能，当固溶温度过高，达到960℃时存在炉膛温度过高，产生组织过热的风险[2]。
因此为研究不同固溶温度对螺纹缺陷的影响，在不改变其他热处理参数的情况下，将试验件按照3个不同固溶温度(950、940、930℃)分别进行固溶处理，然后将时效温度设置为540℃,时效保温时间设置为6h,完成试验件热处理加工,然后进行相同工艺螺纹滚压(进给时间1.6s,主轴转速25r/min,保压时间1s)，测试试验件剪切强度及螺纹缺陷情况，具体试验结果见表1。试验结果显示:随着固溶温度降低，材料剪切强度降低，但能满足剪切强度≥667MPa的技术要求，牙尖缺陷深度减小，3组均无牙底缺陷。
3.2时效温度
根据GJB3763A-2004规范要求，TC4钛合金时效温度为480~690℃。依据前期试验数据，得出时效的温度范围为540~600℃时剪切强度均能满足要求，但时效温度高于600℃时剪切强度处在临界点。
表1固溶温度对TC4钛合金螺栓强度及缺陷的影响
Table 1 Effect of solution treatment temperature on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt
| 固溶 温度/℃ | 剪切强度/MPa | 牙尖缺陷 深度/μm | 牙底缺陷 深度/μm | |||
| 测试值 | 平均值 | |||||
| 950 | 717 | 714 | 716 | 715 | 43.34 | 0 |
| 940 | 703 | 698 | 696 | 699 | 35.85 | 0 |
| 930 | 683 | 682 | 686 | 684 | 26.75 | 0 |
注:时效工艺为540℃x6h
因此，为研究不同时效温度对螺纹缺陷的影响，将试验件进行950℃固溶处理后，再按3个不同时效温度(540、560、580℃)分别进行时效处理，时效保温时间均为6h,完成试验件热处理加工。然后进行相同工艺螺纹滚压(进给时间1.6s,主轴转速25r/min,保压时间1s),测试试验件剪切强度及螺纹缺陷情况,结果见表2。试验结果显示:随着时效温度升高，材料剪切强度降低，牙尖缺陷深度减小，3组均无牙底缺陷。
表2时效温度对TC4钛合金螺栓强度及缺陷的影响
Table 2 Effect of aging temperature on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt
| 时效 温度/℃ | 剪切强度/MPa | 牙尖缺陷 深度/μm | 牙底缺陷 深度/μm | |||
| 测试值 | 平均值 | |||||
| 540 | 717 | 714 | 716 | 715 | 43.34 | 0 |
| 560 | 701 | 698 | 695 | 698 | 31.03 | 0 |
| 580 | 675 | 677 | 680 | 677 | 23.53 | 0 |
注:固溶温度为950℃,时效时间为6h
3.3时效保温时间
根据GJB 3763A-2004规范要求，TC4钛合金时效保温时间应保持在4~8h,为了确定不同时效保温时间对螺纹缺陷的影响，在不改变其他热处理参数的情况下，即固溶温度设置为950℃，时效温度设置为540℃,采用3个不同时效保温时间(4、6、8h)分别进行时效处理，然后采用相同工艺螺纹滚压(进给时间1.6s,主轴转速25r/min,保压时间1s),测试试验件的剪切强度及螺纹缺陷情况，结果如表3所示。试验结果显示:随着时效保温时间的增加，材料剪切强度变化较小，牙尖缺陷深度无明显差异，3组均无牙底缺陷。
3.4滚压进给时间
螺纹滚压时，进给时间越短，螺纹成形时间越短。为研究不同进给时间对TC4钛合金螺栓螺纹的缺陷影响，试验件采用同一热处理制度(固溶温度950℃，时效温度540℃,时效保温时间4h),试验设置4种进给时间，测试试验件的缺陷情况，每种进给时间各自滚压20件,各抽样4件样品进行金相检验,检查螺纹的缺陷情况,结果见表4,缺陷形貌见图5。试验结果显示:进给时间越长，滚丝轮与工件接触的时间越长，硬化和摩擦的时间越长，缺陷扩展的概率越高，深度越深。
表4进给时间对TC4钛合金螺栓缺陷的影响
Table 4 Effect of feeding time on defect of the TC4 titanium alloy bolt
| 组号 | 进给时间/s | 缺陷深度/μm | |||
| 1 | 1.05~1.37 | 68 | 56 | 65 | 78 |
| 2 | 2.15~2.38 | 73 | 82 | 88 | 109 |
| 3 | 4.40~4.90 | 96 | 106 | 122 | 139 |
| 4 | 6.26~6.58 | 136 | 132 | 137 | 142 |
表3 时效时间对TC4钛合金螺栓强度及缺陷的影响
Table 3Effect of aging time on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt
| 时效 时间/h | 剪切强度/MPa | 牙尖缺陷 深度/μm | 牙底缺陷 深度/μm | |||
| 测试值 平均值 | ||||||
| 4 | 719 | 721 | 718 | 719 | 42.11 | 0 |
| 6 | 717 | 714 | 716 | 715 | 43.34 | 0 |
| 8 | 714 | 712 | 717 | 714 | 41.67 | 0 |
注:固溶温度为950℃,时效温度为540℃
3.5主轴转速
采用相同的热处理工艺(固溶温度950℃,时效温度540℃,时效保温时间4h),试验设置3种主轴速度，分别为20、25、40r/min，分别验证进给时间在1.4、1.6、2.6s的情况，每种主轴转速各自滚压20件，进行荧光检测，观察螺纹缺陷情况，如图6所示。
3.6保压时间
将进给时间设置为1.6s,主轴转速设置为25r/min，试验设置4种保压时间,分别为0.1、0.3、0.7、2s,每种保压时间各自滚压20件，在荧光下观察螺纹缺陷情况，如图7所示。图7试验结果显示:在相同进给时间以及主轴转速的情况下，保压时间越长，螺纹缺陷越深，荧光现象情况越明显，原因是保压时间越长，轧轮与工件的摩擦时间越长，螺纹缺陷越严重。
3.7试验验证
综合上述试验结果可知，随着固溶温度升高，螺栓螺纹缺陷呈现增加态势，随着时效温度的升高，TC4钛合金螺栓螺纹缺陷得到改善，时效保温时间的长短对螺纹缺陷影响不敏感。螺栓在滚压加工时，随着进给时间的减少，螺纹缺陷逐渐减少，随着主轴转速的增加，螺纹缺陷逐渐增加，随着保压时间的增加，螺纹缺陷逐渐增加。
经过以上一系列试验，获得TC4钛合金螺栓有效加工工艺参数为:固溶温度940℃,时效温度580℃,时效保温时间4~6h,滚压进给时间1.5~2s,滚轮转速20~25r/min,保压时间0.7~2s,该工艺参数下可以获得较好的螺纹质量，如图8所示。
4、结论
1)固溶温度对TC4钛合金螺栓螺纹牙尖缺陷影响较大，但对螺纹牙底缺陷影响较小。随着固溶温度的升高，TC4钛合金螺栓剪切强度逐渐升高，塑性降低，齿尖缺陷深度逐渐增加。
2)时效温度对TC4钛合金螺栓螺纹牙尖缺陷影响较大，但对螺纹牙底缺陷影响较小。随着时效温度的升高，TC4钛合金螺栓剪切强度逐渐降低，塑性提升，齿尖缺陷深度逐渐减小。
3)时效保温时间对牙底缺陷、牙尖缺陷影响均较小。
4)螺纹滚压时，滚丝轮与工件接触的时间越长，缺陷扩展的概率越高，且深度越深。按照该原理，随着进给时间的减少，螺纹缺陷逐渐减少，随着主轴转速的增加，螺纹缺陷逐渐增加，随着保压时间的增加，螺纹缺陷逐渐增加。
5)通过合理调控热处理与滚压工艺参数，可有效抑制TC4钛合金螺栓螺纹缺陷的产生，并得出了TC4钛合金螺栓推荐工艺参数，可以提升螺纹成形质量与服役可靠性。
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（注，原文标题：热处理及滚压工艺对TC4钛合金螺栓螺纹缺陷的影响）
tag标签:TC4钛合金螺栓,热处理参数,滚压工艺,螺纹缺陷