随着对飞机先进性要求的提高，对紧固件材料的要求越来越高，高强度、高减重、耐腐蚀、无磁性、与复合材料相容性好的钛合金逐渐成为先进飞机钛标准件材料的首要选择［1-4］。钛合金的热处理方式通常包括退火和固溶+时效处理［5］，而固溶+时效的热处理方式是获得高强度紧固件的有效措施。TC4(Ti-6Al-4V)合金作为双相钛合金，由于其良好的综合性能及工艺特性，成为钛工业中的王牌合金，被广泛地应用于化工、电力、航空航天、体育器械等领域［6］。TC4钛合金经固溶+时效处理后可以获得稳定的等轴α相、弥散的马氏体α'相和亚稳定β相，而等轴α相使合金的综合力学性能得到提升，弥散的马氏体α'相使合金的强度、硬度提高，塑性韧性下降［7］。棒材在固溶时效过程中不同位置的冷却速度存在差异，而冷却速度是影响组织和性能的主要因素之一［8］，因此，本文通过对航天用紧固件TC4钛合金棒材进行固溶时效处理，观察并检测试样边部至心部的显微组织、显微硬度和室温拉伸性能，探究冷却速度对紧固件用TC4钛合金组织与性能的影响规律。
1、试验材料与方法
1.1试验材料
采用航天紧固件材料TC4钛合金φ25mm的钛棒材作为试验用料，该棒材经真空自耗熔炼、开坯、三火锻造、两火轧制制成，其铸锭化学成分符合GB/T3620.1—2016中《钛及钛合金加工产品化学成分》的要求，如表1所示。
1.2试验方法
将直径为φ25mm，长度为80mm的棒材于960℃装炉，待炉温升至960℃后保温1h，取出水冷，延迟淬火时间不超过5s，随后进行550℃保温8h的时效处理。取试样端部(L)和中部(L/2)处制成金相试样，采用OLYMPICSPLAG3光学显微镜分别观察L和L/2处截面上边部至心部的显微组织(见图1(a))，同时采用硬度计检测L和L/2处截面上边部至心部的显微硬度值，检测位置见图1(b)，硬度采用401MVD数显显微维氏硬度计测量，荷载砝码为500g，保压时间为10s。
在同一支φ25mm棒材上连续取4支80mm长的试样，其中2支试样在其中心纵向掏出φ8mm的棒材，剩余部分标记为3号、4号试样，剩余2支试样标记为1号和2号(见图2)。同时采用960℃×1h，水冷+550℃×8h的热处理制度对4支试样进行固溶时效处理，并检测其室温拉伸性能。
2、试验结果与讨论
2.1冷却速度对显微组织的影响
对于大多数钛合金而言，其力学性能很大程度上取决于α相的含量和形态，其中在两相区保温过程中等轴α相能够对β相起到钉扎作用，抑制β相的长大，提高材料的塑性和抗疲劳特性;片状α相具有较高的强度和断裂韧性［8-10］;针状α相均匀地分布在β相基体上，能够起到弥散强化效果［11-13］。
试样端部(L)和中部(L/2)截面上的显微组织如图3所示，其中图3(a～c)是试样端部(L)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ处的显微组织，图3(d～f)是试样中部(L/2)截面上0Ｒ、Ｒ/2、Ｒ处的显微组织。从图3可以看出，合金的组织受冷却速度的影响较明显。固溶时效后的显微组织为混合组织，包含稳定的等轴α相、弥散的马氏体α'相和亚稳定β相［13］。初生α相含量与固溶温度有关［11］，因此初生α相含量和形态没有明显差别，L截面在冷却过程中与水接触，不同位置的冷却速度相差不大，次生α相的形态和含量没有明显差异［14］;L/2截面上边部至心部的冷却速度逐渐减小，而冷却速度直接决定次生α相的片层厚度，在组织上表现为次生α相含量增多，同时次生α相片层厚度逐渐增大并趋于等轴化，见图3(d～f);对比L截面与L/2截面也可发现图3(a～d)的组织形态类似，但图3(e，f)组织中初生α相含量少于边部组织。
2.2冷却速度对硬度的影响
试样L和L/2截面上边部至心部的显微硬度值如图4所示。从图4可以看出，L截面因冷却速度相差不大所以显微硬度值没有明显区别，L/2截面上由试样边部至心部的显微硬度值呈总体下降趋势，同时L/2截面上边部的显微硬度值与L截面相差不大，此结果与理论相符合［15-16］。
2.3冷却速度对室温拉伸性能的影响
4支试样的室温拉伸性能见表2，从表2可以看出，4支试样的伸长率均符合GJB2219—1994《紧固件用钛合金棒(线)材规范》要求，3、4号试样的抗拉强度和规定塑性延伸强度明显高于1、2号试样，且符合标准要求，这是因为1、2号试样的心部在固溶时效时冷却缓慢，而3、4号试样是在去掉心部后直接进行固溶时效处理，能得到充分的加热从而保留较多的初生α相，同时冷速较快使等轴状次生α相含量减少，这种有较多初生α相和较少次生α相的双态组织会使合金的强度升高，塑性降低。
通过4支试样的室温拉伸性能比较，可以认为固溶时效过程中的冷却速度通过影响初生α相的含量以及次生α相含量和形态从而影响试样的室温拉伸性能。
3、结论
1)TC4钛合金棒材经固溶时效处理后心部和表面的组织与性能受冷却速度的影响呈现显著差异。
2)TC4钛合金棒材固溶时效后的显微组织由稳定的等轴α相、弥散的马氏体α'相和亚稳定β相组成，试样端面上次生α相的形态和含量没有明显差异;中部截面上边部至心部的次生α相含量逐渐增多，同时次生α相片层厚度逐渐增大并趋于等轴化;对比端部与中部截面边部初生α相含量和形态没有明显差异。
3)TC4钛合金棒材端面上显微硬度值没有明显差异，但中部截面上由边部至心部的显微硬度值呈总体降低趋势，且中部截面上边部的显微硬度值与端面相差不大。
4)TC4钛合金棒材心部因固溶过程中冷却缓慢，棒材整体试样的室温拉伸性能不符合标准，且明显低于去除心部的试样。
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