TC4鈦合金是一種具有中等強度的α+β型兩相鈦合金，表現出卓越的綜合性能，具有高強度以及優異的耐腐蝕性[14]，能在400℃或-196℃的溫度下保持良好的力學性能，已成為目前使用最廣泛的一種鈦合金，在航空航天緊固件領域大量應用[540]。鈦合金螺栓作為航空裝備基礎件，直接決定了航空裝備的可靠性，然而TC4鈦合金塑料差，屬于典型的難加工材料。如果坯料的熱處理或滾壓工藝參數選擇不當時,在螺紋成形過程中常出現裂紋、折疊、齒底應力線等缺陷。現有文獻多對TC4鈦合金摩擦機理[1]、剪切強度[2]、疲勞壽命[4]、滾壓強化機理和模擬研究進行報道[6,9-15],但是鮮有針對前述螺紋滾壓成形中出現缺陷進行改善研究的文獻報道，尤其是針對不同熱處理溫度以及滾壓參數對TC4鈦合金螺栓的螺紋缺陷影響還缺乏系統研究。為了探究和改善TC4鈦合金螺紋在不同熱處理溫度以及滾壓參數下的螺紋缺陷形貌，本研究通過設置不同的熱處理溫度、滾壓參數，以典型TC4鈦合金螺栓為對象,揭示不同工藝參數下螺紋的失效機理,指導TC4鈦合金螺栓的螺紋制造工藝設計。

1、螺紋滾壓原理及常見缺陷

TC4鈦合金螺栓螺紋成形機理如圖1所示，其為一種無屑的加工方法，滾壓過程中有兩個滾絲輪采用相同的轉速同向旋轉，其中滾絲輪1為固定輪，滾絲輪2為活動輪可左右移動，螺栓置于支撐板上，滾絲輪2在旋轉的同時向滾絲輪1方向以一定的速度移動,隨著滾絲輪2移動的距離逐漸靠近滾絲輪1，材料隨著滾絲輪的螺旋線開始流動,形成螺紋,螺栓材料流動趨勢圖如圖2所示。TC4鈦合金螺栓在螺紋滾壓后,最常見的缺陷形式有牙尖缺陷、牙側缺陷以及牙底缺陷,見圖3。

2、試驗方案設計

為了研究工藝參數對TC4鈦合金螺栓螺紋缺陷的影響，本研究設計了分組試驗方案。通過設置不同熱處理制度及滾壓參數,并采用金相法(侵蝕劑:氫氟酸15mL+硝酸(化學純)35mL+水950mL混合溶液，侵蝕時間為15~20s)、熒光法等檢查TC4鈦合金螺栓螺紋，以明確工藝-缺陷之間的關系性及缺陷敏感性，TC4鈦合金螺栓螺紋主要加工工藝參數如圖4所示，對固溶溫度、時效溫度、時效保溫時間、螺紋滾壓進給時間、主軸轉速、保壓時間這6個主要加工工藝參數開展研究分析。

3、試驗結果與分析

3.1固溶溫度

根據GJB3763A一2004《鈦及鈦合金熱處理》規范要求，鈦合金螺栓固溶保溫溫度為899~968℃，固溶時間要求為30~120min。結合以往的試驗結果，當固溶溫度低于920℃時，顯微組織存在大量的α相組織,不利于螺栓的力學性能，當固溶溫度過高，達到960℃時存在爐膛溫度過高，產生組織過熱的風險[2]。

因此為研究不同固溶溫度對螺紋缺陷的影響，在不改變其他熱處理參數的情況下，將試驗件按照3個不同固溶溫度(950、940、930℃)分別進行固溶處理，然后將時效溫度設置為540℃,時效保溫時間設置為6h,完成試驗件熱處理加工,然后進行相同工藝螺紋滾壓(進給時間1.6s,主軸轉速25r/min,保壓時間1s)，測試試驗件剪切強度及螺紋缺陷情況，具體試驗結果見表1。試驗結果顯示:隨著固溶溫度降低，材料剪切強度降低，但能滿足剪切強度≥667MPa的技術要求，牙尖缺陷深度減小，3組均無牙底缺陷。

3.2時效溫度

根據GJB3763A-2004規范要求，TC4鈦合金時效溫度為480~690℃。依據前期試驗數據，得出時效的溫度范圍為540~600℃時剪切強度均能滿足要求，但時效溫度高于600℃時剪切強度處在臨界點。

表1固溶溫度對TC4鈦合金螺栓強度及缺陷的影響

Table 1 Effect of solution treatment temperature on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt

固溶 溫度/℃	剪切強度/MPa				牙尖缺陷 深度/μm	牙底缺陷 深度/μm
		測試值		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:時效工藝為540℃x6h

因此，為研究不同時效溫度對螺紋缺陷的影響，將試驗件進行950℃固溶處理后，再按3個不同時效溫度(540、560、580℃)分別進行時效處理，時效保溫時間均為6h,完成試驗件熱處理加工。然后進行相同工藝螺紋滾壓(進給時間1.6s,主軸轉速25r/min,保壓時間1s),測試試驗件剪切強度及螺紋缺陷情況,結果見表2。試驗結果顯示:隨著時效溫度升高，材料剪切強度降低，牙尖缺陷深度減小，3組均無牙底缺陷。

表2時效溫度對TC4鈦合金螺栓強度及缺陷的影響

Table 2 Effect of aging temperature on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt

時效 溫度/℃	剪切強度/MPa				牙尖缺陷 深度/μm	牙底缺陷 深度/μm
		測試值		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:固溶溫度為950℃,時效時間為6h

3.3時效保溫時間

根據GJB 3763A-2004規范要求，TC4鈦合金時效保溫時間應保持在4~8h,為了確定不同時效保溫時間對螺紋缺陷的影響，在不改變其他熱處理參數的情況下，即固溶溫度設置為950℃，時效溫度設置為540℃,采用3個不同時效保溫時間(4、6、8h)分別進行時效處理，然后采用相同工藝螺紋滾壓(進給時間1.6s,主軸轉速25r/min,保壓時間1s),測試試驗件的剪切強度及螺紋缺陷情況，結果如表3所示。試驗結果顯示:隨著時效保溫時間的增加，材料剪切強度變化較小，牙尖缺陷深度無明顯差異，3組均無牙底缺陷。

3.4滾壓進給時間

螺紋滾壓時，進給時間越短，螺紋成形時間越短。為研究不同進給時間對TC4鈦合金螺栓螺紋的缺陷影響，試驗件采用同一熱處理制度(固溶溫度950℃，時效溫度540℃,時效保溫時間4h),試驗設置4種進給時間，測試試驗件的缺陷情況，每種進給時間各自滾壓20件,各抽樣4件樣品進行金相檢驗,檢查螺紋的缺陷情況,結果見表4,缺陷形貌見圖5。試驗結果顯示:進給時間越長，滾絲輪與工件接觸的時間越長，硬化和摩擦的時間越長，缺陷擴展的概率越高，深度越深。

表4進給時間對TC4鈦合金螺栓缺陷的影響

Table 4 Effect of feeding time on defect of the TC4 titanium alloy bolt

組號	進給時間/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 時效時間對TC4鈦合金螺栓強度及缺陷的影響

Table 3Effect of aging time on strength and defect of the TC4 titanium alloy bolt

時效 時間/h	剪切強度/MPa				牙尖缺陷 深度/μm	牙底缺陷 深度/μm
	測試值 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:固溶溫度為950℃,時效溫度為540℃

3.5主軸轉速

采用相同的熱處理工藝(固溶溫度950℃,時效溫度540℃,時效保溫時間4h),試驗設置3種主軸速度，分別為20、25、40r/min，分別驗證進給時間在1.4、1.6、2.6s的情況，每種主軸轉速各自滾壓20件，進行熒光檢測，觀察螺紋缺陷情況，如圖6所示。

3.6保壓時間

將進給時間設置為1.6s,主軸轉速設置為25r/min，試驗設置4種保壓時間,分別為0.1、0.3、0.7、2s,每種保壓時間各自滾壓20件，在熒光下觀察螺紋缺陷情況，如圖7所示。圖7試驗結果顯示:在相同進給時間以及主軸轉速的情況下，保壓時間越長，螺紋缺陷越深，熒光現象情況越明顯，原因是保壓時間越長，軋輪與工件的摩擦時間越長，螺紋缺陷越嚴重。

3.7試驗驗證

綜合上述試驗結果可知，隨著固溶溫度升高，螺栓螺紋缺陷呈現增加態勢，隨著時效溫度的升高，TC4鈦合金螺栓螺紋缺陷得到改善，時效保溫時間的長短對螺紋缺陷影響不敏感。螺栓在滾壓加工時，隨著進給時間的減少，螺紋缺陷逐漸減少，隨著主軸轉速的增加，螺紋缺陷逐漸增加，隨著保壓時間的增加，螺紋缺陷逐漸增加。

經過以上一系列試驗，獲得TC4鈦合金螺栓有效加工工藝參數為:固溶溫度940℃,時效溫度580℃,時效保溫時間4~6h,滾壓進給時間1.5~2s,滾輪轉速20~25r/min,保壓時間0.7~2s,該工藝參數下可以獲得較好的螺紋質量，如圖8所示。

4、結論

1)固溶溫度對TC4鈦合金螺栓螺紋牙尖缺陷影響較大，但對螺紋牙底缺陷影響較小。隨著固溶溫度的升高，TC4鈦合金螺栓剪切強度逐漸升高，塑性降低，齒尖缺陷深度逐漸增加。

2)時效溫度對TC4鈦合金螺栓螺紋牙尖缺陷影響較大，但對螺紋牙底缺陷影響較小。隨著時效溫度的升高，TC4鈦合金螺栓剪切強度逐漸降低，塑性提升，齒尖缺陷深度逐漸減小。

3)時效保溫時間對牙底缺陷、牙尖缺陷影響均較小。

4)螺紋滾壓時，滾絲輪與工件接觸的時間越長，缺陷擴展的概率越高，且深度越深。按照該原理，隨著進給時間的減少，螺紋缺陷逐漸減少，隨著主軸轉速的增加，螺紋缺陷逐漸增加，隨著保壓時間的增加，螺紋缺陷逐漸增加。

5)通過合理調控熱處理與滾壓工藝參數，可有效抑制TC4鈦合金螺栓螺紋缺陷的產生，并得出了TC4鈦合金螺栓推薦工藝參數，可以提升螺紋成形質量與服役可靠性。

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（注，原文標題：熱處理及滾壓工藝對TC4鈦合金螺栓螺紋缺陷的影響）

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