TC4钛合金典型的热处理工艺

1、钛及钛合金

1）钛的特性及应用

钛是地壳中分布最广的元素之一，占地壳重量的0.56%，列居第9位，而钛资源则仅次于铁、铝、镁而列居第4位，比常见金属 Cu、Pb、Zn的储量的总和还多。许多国家包括我国在内都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并充分利用钛合金实际应用价值。

作为一种结构与功能性金属，人类研究钛元素从20世纪中期发展到现在，已经具备了一定的开发基础。钛的原子序数为22，相对原子质量为47.87，其外观呈灰色，有金属光泽，还具有延展性、熔点高的物理特性。钛的密度虽然较小，但是它的强度高，利用纯度可以判别钛的塑性，纯度越高的钛，其塑性越好，如果钛中含有杂质，就会明显地降低其塑性。但是从某种角度讲，钛中含有少量适当的杂质尤其是间隙杂质，如碳、氮、氧则可以显著提高钛的强度，影响其机械性能。其实，工业生产中可开发利用的钛资源大多就是通过严格控制适当的杂质含量，并添加合金元素而达到其利用价值。

钛合金具有优良的综合性能，自 20 世纪中期以来已经被认为是一种新型的很有发展潜力和应用前景的结构材料，它们也被认为是一种很重要的轻质材料。钛合金耐腐蚀性好、比强度高、耐热性高，在航空航天、轨道交通及军事国防等领域都具有十分广泛的应用前景。

钛合金被认为是一种轻质合金。钛资源在我国地壳含量相对丰富，储量世界第一，但相比于镁合金，铝合金等其他主要的轻合金的应用，钛合金的应用相对少许多。而钛合金所具有的特殊优异性能和发展潜力足以引起我国对钛合金应用的重视。原生金属钛的产能消耗高，在生产过程中会伴有氯化污染物的排放，对环境十分不利。目前由于劳动力及环境方面的因素，发达国家有将钛生产基地转移到发展中国家的趋势，中国很可能成为钛金属的生产大国。另外，中国经济持续高速发展，在可预计的几年内，这种趋势还在继续，对于钛合金国内应用的发展前景肯定越来越好。我国钛合金领域在以下几个方面应深化研究，钛的低成本化制备、加工技术，大型优质钛合金配料制备技术，继续加强钛的推广应用等 。

2）钛合金的分类及牌号

钛合金以钛为基体，加入 Al、Sn、Mo、Mn等一种或几种合金元素组成。按退火组织钛合金可以分为三类：α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。三大类合金的特点和牌号如下：

（1）α钛合金。此类型钛合金的主要优点是焊接性好、抗腐蚀性高、组织结构稳定，缺点是强度低、变形抗力大、热加工性差。

我国α钛合金牌号为 TA，后跟一个代表合金序号的数字，TA4～TA8 都属于α钛合金;

（2）β钛合金。此类合金塑性加工性能好，当具有适当的合金浓度时，通过强化热处理，其常温力学性能可获得大幅度提高，发展高强度钛合金也可以通过对钛合金进行热处理，但其冶炼过程较复杂，从而使其组织结构变得不稳定。合金牌号为TB，后跟合金序号，如 TB1，TB2 等;

（3）α+β 钛合金。这类合金的特点是，力学性能高，可通过热处理进行强化，热加工性好，耐热性在中等温度时较好，但组织结构不够稳定。合金牌号为 TC，后跟合金序号，如 TC3，TC4 等。

当前应用最多的是α+β钛合金，其次是α钛合金，β钛合金应用相对较少。若按性能特点分类，钛合金可分为低强钛合金、中强钛合金、高强钛合金、低温钛合金、铸造钛合金及粉末冶金钛合金等。

3）钛合金组织的特征及性能

α相和β相的组成、形态、分布以及位错、织构等微结构特征可以决定钛合金的力学性能，钛合金的组织结构对钛合金的性能有着重要影响，因此想要实现钛合金在工业生产中的实际应用，研究其微观组织结构具有很高的价值。

钛合金相变具有复杂性、热加工过程多样性的特点，特别是两相钛合金中存在着多种组织，这些组织在晶粒尺寸、形貌、晶内结构上各不相同。两相钛合金，一般存在：魏氏组织、网篮组织、双态组织以及等轴组织四大类。这几类显微组织的形成及组织特征如下：

当两相钛合金变形开始或终了温度都在β相区，变形量小于50%时，或将合金加热到β相区后较慢冷却时，都能得到魏氏组织。魏氏组织特征是：原始β晶界清晰完整，晶界α相非常明显，晶内α相呈片状规则排列。冷却时，晶界处首先析出α相，形成晶界α相，同时由于变形量较小，晶界比较完整。随后许多在晶界区的晶核从晶界向晶内生长，形成位向相同，相互平行的长条状组织。

当冷却速率不够慢时，相在晶粒内部也可形核、长大。

两相钛合金在α+β相区上部温度变形，或在α+β相区变形后，再加热至α+β相区上部温度然后空冷，便可形成双态组织。其组织特征是大量的等轴初生α相分布于β转变组织的基体上，但总含量不低于 50%。从α+β相区开始冷却时，合金组织中已存在α相，故冷却过程中析出的α相可以在β晶界上形核，也可在原α相的界面上形核，之后才在β晶内一定的晶面上形核。在α界面上形核析出的以相的位向与原来存在的以相的位向不同，冷却速率影响其厚度，冷速越快，厚度越小。在晶内形核析出的以相与残留β相形成的混合物，称为β转变组织。

两相钛合金在低于双态组织形成温度（约低于相变点 30~50℃）的两区变形，可获得等轴组织。相对双态组织等轴组织的特征是初生α相含量超过 50%，分布有少量β转变组织。当变形温度很低时，β相中的β稳定元素含量较高，比较稳定，冷却时β相内不会析出次生相，其组织特征是等轴α相晶粒间有少量的残留β相。若加热到α+β相区上部温度后，以极慢冷度冷却，则次生α相不在β晶内形核析出，而是沿初生α边界析出，与初生α连在一起，也得到等轴组织。

而不同显微组织的性能特点也各不相同：魏氏组织主要的优点在于，断裂韧性高，疲劳裂纹扩展速率低。原因在于魏氏组织中裂纹扩展路径曲折，增加了裂纹的总长度，故需消耗更多的能量；而且裂纹分叉较多，分散了裂纹尖端应变场，在破坏中吸收的能量大，突出的弱点是塑性差。

网篮组织的塑性高于魏氏组织；双态和等轴组织性能特点恰与魏氏组织相反，具有较高的塑性和疲劳强度，并且因为变形协调性好，不容易产生孔洞，裂纹萌生困难；其缺点是断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能和高温性能不如魏氏组织，原因在于裂纹在双态和等轴组织中扩展时路径平直，分枝少，在破坏时吸收的能量少。

2、Ti-6Al-4V 钛合金及其热处理

作为α+β两相合金，Ti-6Al-4V 合金应用最为广泛、成熟。在20世纪50 年代初期，美国的Illinois技术研究所研发出的Ti-6Al-4V合金，同时是钛合金中生产较早的一种。

从该合金问世，国内外的学者们就开始对它进行不断的研究，促进了今天成熟的钛合金加工技术。但近些年由于科研理念的改变，由之前纯粹的静强度研究思想转变成破损安全研究和损伤容限科研理念 ，由于其现在新兴领域得到进一步的应用，使Ti-6Al-4V 合金的动态性能在实践中更深层次的检验。由大量的资料文献可知，影响Ti-6Al-4V 合金的疲劳性能规律的因素也得到进一步的研究，其中包括显微组织、织构、热处理、截面大小、加载方向、应力比、表面状态及腐蚀环境。这使得 Ti-6Al-4V 合金再度成为学者们研究的热点新材料。因钛合金常应用于航空构件中，因此会受到高速冲击载荷作用，在高应变率变形中钛合金容易形成不稳定的变形，由于钛合金的高绝热剪切破坏倾向，其在诸如装甲和侵彻等高应变率环境下的应用，已经是钛合金应用中的关键性问题，因此学者们更加的关注其动态性能。

并且Ti-6Al-4V合金的耐热性、强度、塑性、韧性、成型性、可焊性、耐蚀性和生物相容性优异，成为钛合金工业中的王牌合金。

根据精炼程度，将 Ti-6Al-4V 合金分为普通 TC4 和 TC4（ELI），其各自的化学成

分如表1-1所示。

根据间隙元素氧的含量划分该级别，工业级 Ti-6Al-4V合金中氧的质量分数为0.16%～0.20%；而ELI级 Ti-6Al-4V 合金中氧的质量分数为 0.1%～0.13%，同时 ELI级 Ti-6Al-4V 合金的强度及延展性相比工业级稍低；而 ELI 级的断裂韧性要高出工业级的约25%。测得力学性能：σ b =896MPa、σ s =869MPa、E=110GPa、G=42.7GPa、ρ=4.43g/cm 3 。Ti-6Al-4V 合金占到钛合金总产量的50%，占到全部钛合金加工件的 95%。但对于损伤容限要求严格的部件，ELI 级 Ti-6Al-4V 合金更实用，而工业级 TC4 钛合金通常应用于材料以抗拉强度为设计依据。

Ti-6Al-4V合金表现出良好的热处理强化能力，其热处理的典型特征为：马氏体相变先在淬火过程中发生，或保留高温组织，合金的韧性塑形稍微提高，强度硬度稍微降低。而在之后的时效过程中，随着亚稳定相和中间相的生成，合金硬度、强度升高，塑形、韧性降低  。

以下是TC4钛合金典型的热处理工艺：

（1）去应力退火：600℃、2～4h，空冷；

（2）工厂退火：700℃、2h，空冷或800℃、1h，空冷；

（3）再结晶退火：930℃、4h，炉冷至480℃，出炉空冷；

（4）双重退火：940℃、10min，空冷+700℃、4h，空冷；

（5）固溶处理过时效：940℃、10min，水冷，700℃、4h，空冷；

（6）固溶处理+时效：940℃、10min，水冷，540℃、4h，空冷，或900℃、30min，水冷，500℃、8h，空冷。

工厂退火使合金强度高，但塑形、断裂韧性低，其他退火制度可有效改善塑形、断裂韧性及裂纹扩展能力。通过预先β退火后，再进行两相区的热处理也可以大大改善合金的断裂韧性和抗蠕变性能。

提高合金的抗拉强度也可以通过固溶时效处理（σ b 能达到1250MPa左右），但会降低断裂韧性。由于该合金的淬透性低，只有小零件适用该种强化热处理。

不同的热处理工艺可实现钛合金获得不同的组织，并且钛合金的性能取决于合金的内部组织结构。因此，不同的热处理工艺会影响钛合金的性能。

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