TC16钛合金航空紧固件冷镦成形：变形量与工位怎么选？

核心结论：TC16钛合金（名义成分Ti-3Al-5Mo-4.5V）是一种马氏体型α+β两相合金，β稳定系数约0.83，因重量轻、比强度高、耐腐蚀、抗疲劳且加工塑性好，是制造航空紧固件的理想材料。冷镦成形时TC16塑性变形能力强，可在1 s内快速达到80%变形量，工作量仅为热镦的30%~50%，效率高、成本低，但工艺参数选取不当会导致褶皱、飞边和开裂。实验表明：紧固件头部压缩变形量为3 mm时表面光洁无缺陷，变形量达5 mm时出现褶皱、飞边和45°方向开裂；相比1工位一次成形，2工位成形组织更均匀、硬度分布更稳定，力学性能更优。宝鸡利泰金属专业供应TC16等α+β型钛合金棒材、丝材，可配套航空紧固件用钛材。

一、基础认知（Q1-Q5）

Q1：TC16是什么钛合金？为什么适合做航空紧固件？

TC16钛合金名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，是一种马氏体型α+β两相合金，其中β相的稳定系数约为0.83。TC16具有重量轻、比强度高、耐腐蚀、抗高温、良好的抗疲劳性、力学性能和加工塑性等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶和医疗等领域，是制备航空紧固件理想的材料之一。

Q2：TC16航空紧固件怎么成形？

TC16钛合金紧固件成形工艺包括热镦和冷镦两种。热镦工艺过程复杂、制作成本高、效率较低，需经时效热处理提高强度后才能使用，且气体保护介质会造成空气污染，容易出现表面油污污染或加工过热；冷镦则利用TC16较强的塑性变形能力，在1 s内快速达到80%变形量，工作量仅为热镦时的30%~50%，节省加热工序、效率大幅提高、成本降低，且冷镦后紧固件发生加工硬化，力学性能可满足工业需求，表面质量好，适合大批量生产。

Q3：冷镦为什么好？有什么风险？

冷镦省去加热处理工序，效率高、成本低、适合大批量生产，且产生加工硬化、表面质量好。但冷镦工艺参数选取不当会造成紧固件塑性损伤和表面开裂，严重限制冷镦成形紧固件的应用，因此需合理控制变形量和工位方案。

Q4：本研究用的TC16棒料是怎么制备的？

本实验用TC16钛合金棒料由中国科学院金属研究所提供，铸锭经开坯、锻造和轧制后，进行780℃退火、保温2 h、炉冷到550℃、最终空冷得到棒料，再加工成φ7 mm、长50 mm的棒材用作冷镦初始材料。其主要化学成分（质量分数）为：Al 3.48%、V 4.68%、Mo 5.23%、O 0.12%，其余为Ti。

Q5：冷镦实验设计了哪几种方案？

利用4工位精锻机进行不同工位的紧固件镦压成形实验，对比了两种方案：一是2工位冷镦（第1工位成形橄榄头、第2工位成形圆饼头）；二是1工位1次镦压成形。为研究变形量影响，对2工位镦压紧固件头部分别采用3 mm和5 mm变形量冷镦成形并比较。

二、变形量对成形质量的影响（Q6-Q9）

Q6：变形量3 mm的2工位冷镦效果如何？

变形量3 mm的2工位冷镦，第1工位镦压得到橄榄头螺栓长度43 mm，第2工位终镦总长40 mm，圆饼头头部厚度3 mm、直径φ14 mm。紧固件表面质量良好，没有出现头部开裂和杆部弯曲，终镦圆饼头头部上表面与侧面出现倒角但棱角不明显。

Q7：变形量5 mm会出现什么缺陷？

变形量5 mm时，第1工位橄榄头已出现较大变形、头部向下偏移，橄榄头头部出现褶皱、表面粗糙，头部与杆部相接的颈部出现飞边；终镦螺栓颈部同样出现飞边、头部表面褶皱粗糙并出现分层现象，头部还沿45°方向开裂，这是由头部镦压时受到较大剪切力所致。

Q8：为什么变形量不宜超过5 mm？

冷镦时TC16紧固件头部变形量不宜超过5 mm，因为变形量过大容易出现褶皱、飞边和裂纹等缺陷，不利于紧固件的成形和使用寿命。3 mm变形量下成形质量良好，是更安全、稳定的工艺选择。

Q9：1工位与2工位成形外观差别大吗？

变形量3 mm时，1工位1次镦压成形的紧固件成形良好、表面无开裂，圆饼状头部上表面与侧面棱角明显，成形效果与2工位3 mm变形量结果非常相似。两者宏观表面都无明显缺陷，差异主要体现在微观组织和硬度分布上。

三、微观组织对比（Q10-Q12）

Q10：冷镦后紧固件头部组织怎么分布？

紧固件头部出现一字交叉变形剪切带，按变形程度分为3个区域：Ⅰ区为最小变形区；Ⅱ区变形程度最大，为剪切带区；Ⅲ区变形程度居中，属变形居中区。1工位剪切带区更窄、弧度更大、更靠近头部顶端，这是因为没有初镦过渡，一次成形受力集中。

Q11：1工位成形的微观组织有什么问题？

1工位一次成形虽宏观无明显缺陷，但微观上头部出现大小不均匀的微孔洞和微裂纹，且微裂纹方向与镦压方向呈45°分布，说明头部的剪切变形容易导致剪切类塑性损伤，这些均不利于紧固件的成形和使用寿命。Ⅱ区α相和β相被压成纤维状、分布紧密；Ⅲ区两相变长条状，出现局部晶粒粗大和部分平直晶界。

Q12：2工位成形的组织为什么更好？

2工位成形因有第1工位冷镦成形做模头过渡，减小了应力集中，提高了组织在变形过程中的稳定性。其Ⅰ区具有明显等轴组织、两相细小且分布均匀；Ⅱ区α相和β相沿镦压方向垂直方向拉伸变长呈链状排列，无孔洞和微裂纹；Ⅲ区组织分布更均匀、晶粒粗化不明显。终镦得到的紧固件微观组织分布更均匀、效果更好。

四、显微硬度对比（Q13-Q15）

Q13：冷镦后硬度有什么变化？

TC16钛合金棒料初始硬度为277 HV₀.₂，冷镦后紧固件整体硬度都有提高，但各部位变化程度不同。剪切带Ⅱ区硬度最高，变形居中区次之，最小变形区硬度提高最小。硬度测试条件为23℃、实验力2 N、保荷15 s，每区测5点取平均。

Q14：1工位与2工位硬度分布有何差异？

整体上1工位一次成形的硬度高于2工位，尤其在剪切带区，1工位高出2工位近30 HV₀.₂，仅Ⅲ区2工位略大。

Q15：为什么2工位力学性能更稳定？

1工位成形紧固件即使在同一变形区域，硬度分布也不均匀，Ⅰ、Ⅱ区各测试点差值可达20 HV₀.₂左右，Ⅰ和Ⅱ区硬度差值达54 HV₀.₂；这是因为一次成形变形量大、头部金属流动不均匀，大变形量下产生大量位错，位错强化导致硬度差异。2工位成形紧固件分两次镦压，初镦的橄榄头使组织变形有过渡阶段，终镦时金属流动更均匀，各区域间硬度差值均在30 HV₀.₂以内，硬度分布更均匀，力学性能更稳定。

五、采购与供应（Q16-Q18）

Q16：航空紧固件用TC16钛材应关注哪些指标？

• 化学成分：Al、V、Mo主元素及O、N、H、Fe间隙元素按标准控制。

• 组织状态：退火态（如780℃×2h）棒料，初始硬度约277 HV，组织均匀。

• 冷镦成形性：可通过冷镦实验验证表面质量、剪切带组织和硬度分布是否均匀。

• 力学性能：冷镦后硬度、强度满足航空紧固件验收要求。

• 探伤与可追溯：材质批次可追溯、探伤合格。

Q17：TC16冷镦工艺怎么选？

从本研究看：头部压缩变形量建议控制在3 mm左右，不宜超过5 mm，避免褶皱、飞边和45°开裂；成形方案优先采用2工位（初镦橄榄头+终镦圆饼头），虽硬度提升略低于1工位，但组织均匀、硬度分布稳定，更利于紧固件成形和使用寿命。实际应根据紧固件规格和验收标准确定变形量、工位数及润滑方式（本实验用白蜡润滑）。

Q18：宝鸡利泰金属能供应TC16钛材吗？

宝鸡市利泰有色金属有限公司（简称"利泰金属"）成立于2005年，位于陕西宝鸡中国钛城，专业从事钛、锆、钽、铌、镍、钨钼等稀有金属材料的加工、生产、经销与研发，已通过ISO 9001认证。TC16属于利泰金属供应的α+β型钛合金牌号（TC1、TC6、TC8-1、TC10、TC11、TC16、TC17、TC18、TC19、TC21、TC25等），可提供铸锭、方坯、棒材、板材、锻件及管棒丝带板箔网饼环等形态产品。产品严格按国家标准与客户约定组织生产与检验，材质可追溯，出口美国、日本、德国及东南亚等地，可为航空紧固件用钛材提供可靠配套。

总结：TC16钛合金因高比强度、良好加工塑性和冷镦硬化特性，是航空紧固件理想材料。冷镦相比热镦效率高、成本低（工作量仅热镦30%~50%），但需严控工艺参数：头部压缩变形量建议约3 mm、不宜超过5 mm，否则出现褶皱、飞边和45°开裂；成形方案宜选2工位（初镦+终镦），虽然硬度提升略低于1工位（剪切带区316.66 vs 344.98 HV₀.₂），但组织均匀、各区域硬度差值在30 HV以内，力学性能更稳定，无微孔洞和微裂纹。宝鸡利泰金属专业供应TC16等α+β型钛合金棒丝材，严格按国标生产检验、材质可追溯，可为航空紧固件提供可靠钛材配套。

（本文数据引自杨万博、霍元明、何涛等《TC16钛合金航空紧固件冷镦成形实验研究》，《塑性工程学报》2020年第27卷第10期，7-12页。）