我國航空航天船舶制造用TC4鈦合金熱處理工藝的研究現狀

近些年來我國對TC4鈦合金，在熱處理的工藝研究上，取得了一些比較大的成果，TC4鈦合金因此被廣泛的應用到了汽車、航空航天、化工、船舶等一些行業。與此同時也存在著一些缺點，比如結構件的形狀比較復雜、傳統的加工在工藝上比較繁瑣雜，材料的利用率偏低，制造的成本相對較高等。但是對未來的發展而言，必然是經濟性好、制造的周期的短、性能優越的趨勢，所以相關的科研人員，應該基于當前的研究成果，進行持續不斷的研究創新。

1、研究現狀

鈦合金在性質上屬于同素異構體，在結構上擁有密排的六方晶格α鈦結構、體心立方的β鈦結構。一旦鈦合金的溫度發生變化，其組織中的結構就一定會產生相應的變化，形成α相鈦、β相鈦，在達到一定的溫度之后，就會形成一種α+β相的組織鈦合金，另一個名稱是雙相鈦合金，我國用TC來表示。TC4鈦合金在性質上屬于Ti-Al-V系，具備強度高、密度小、耐腐蝕性能強等優點。

1.1 固溶處理

TC4鈦合金在經過固溶處理之前，在鈦合金的類型中屬于α+β型，缺點包括 ：耐磨性較差、冷軋成型時加工困難等，對其實施固溶處理工藝，是為了得到等軸穩定的α相、馬氏體彌散的α 、 相、亞穩定狀態的β相，等軸的α相能夠讓合金的力學性能得到綜合性的提升，馬氏體彌散的α 、 相能夠讓合金，在強度、硬度上得到提高，塑性、韌性被降低。固溶處理的工藝主要是受到兩個方面的影響，分別是固溶時的速度快慢、冷卻時效率的高低，以下是對這兩方面的具體分析[1] 。

1.1.1?固溶溫度

TC4鈦合金在固溶溫度的選擇上，是按照金屬在加工、工作環境的不同來決定的，因為固溶溫度的不同，會導致TC4鈦合金在力學性能有不同的表現。固溶的合理選擇對TC4鈦合金，在軟化上起著幫助性的作用，進而在后續的加工中減少機械的切削力，讓加工在成本上得到最大的降低。

實驗研究發現，應變速率如果相同，那么變形時的溫度會升高，因為一旦發生動態回復、動態的結晶，在加工處理時候的硬化能力就會被削弱，熱變形抗力的減小速度會被加快。

另一實驗研究發現，β相在轉變時的溫度，對于強度、殘余應力而言，是其發生轉折的一個點。當合金固溶的溫度低于β相在轉變時的溫度的時候，一旦固溶的溫度開始上升，合金的強度伴隨溫度的增加，強度隨之增加，殘余應力也得到了緩慢的提高。當合金固溶的溫度高于β相在轉變時的溫度的時候，出現的現象就是，固溶的溫度提高之后，合金的強度伴隨溫度的增加，反而卻呈現了下降的趨勢，并且合金的殘余應力開始大幅度的降低。TC4鈦合金在塑性的性能方面，是伴隨溫度的升高反而持續的呈現下降的趨勢。

當合金固溶的溫度高于β相在轉變時的溫度的時候，該合金在微觀的組織上，會轉化成為板條狀中非常典型的魏氏體，這就是導致該合金在強度、塑性規模，呈現下降趨勢最主要的原因。雙態組織的應力在松弛能力方面相對比較強，而且在轉變的整個過程當中，不會受到次生的α相的任何干擾，魏氏組織在殘余應力方面，相對于雙態組織要低一些。在TC4鈦合金當中，魏氏組織、雙態組織二者，都有其各自獨特的優勢，未來的主要研究方向應該是，對兩種組織中存在的缺陷應該如何消除，進而在組織方面得到更好的性能，讓TC4鈦合金在未來能夠廣泛的，應用到日常的各個領域當中去。

1.1.2?冷卻速率

在固溶處理工藝中冷卻速率的不同，鈦合金在性能的獲取上也會不同，當下常見的冷卻方式有爐冷、水冷、空冷等。

實驗研究發現，TC4鈦合金在經過退火之后，爐冷中能夠得到一種現象，那就是α相均勻的分布在β相中，內應力因此被消除，組織穩定性、使塑性由此提高，強度、硬度因此降低。另一實驗研究發現，在爐冷的整個過程當中，存在著相對很深的韌窩，在得到的強度方面空冷高于爐冷。另一實驗研究又發現，韌窩在空冷中也同樣存在，還因此提高了空冷的沖擊韌性，在獲取的等軸α相中空冷比爐冷要細小，空冷的塑性由此被提升。在得到的力學性能的綜合方面，由于空冷比爐冷、水冷更好，但是在強度上空冷比水冷低，因此未來的固溶處理工藝，在對冷卻速率的研究上要加強，讓TC4鈦合金經過空冷之后，在強度、硬度上得到提高，進而讓TC4鈦合金在力學的綜合性能上得到更好的提高。

1.2 時效

時效屬于熱處理工藝中的一種，是指能在一定的溫度下，把金屬放在其中一段時間，讓金屬的強度得到提高的一種工藝[2] 。以下主要是針對時效中的溫度、時間，在組織、力學性能上對TC4鈦合金的影響，并且對TC4鈦合金的時效處理、未來發展的方向上做出了總結。

1.2.1?時效溫度

時效溫度雖然對于出生的α相影響力方面比較小，但是對次生的α相，在尺寸上起著決定性的作用。實驗研究發現，在條件相同情況之下，雙態組織的TC4鈦合金在動態抗拉的強度方面，隨著次生片層的α相在寬度上的增加，導致其強度減小，然而在靜態的力學性能中只有斷后的伸長率，會隨著次生的α相在寬度上的增加而加。另一實驗研究發現，次生的α相體積分數在TC4鈦合金中，會對屈服強度產生很大的影響。在條件相等的情況之下，時效溫度越低組織越小，時效溫度高低組織越大。

綜上所述，時效由于溫度的升高而導致性能下降的主要原因是，次生α相的尺寸被增大了，因此要想讓TC4鈦合金在力學性能上得到提升，最關鍵的一點就是，對次生的α相在尺寸上實施控制。科研人員后續的主要研究方向，應該是對次生α相的具體控制，來實現TC4鈦合金在力學的性能上得到更好的提升。

1.2.2?時效時間

實驗研究發現，由于時效時間長的ω相，給初生的α相提供的形核點，導致了初生的α相在體積分數上被增大了。由于時效的時間過長，進而產生了一種激發形核的現象，導致次生的α相在TC4鈦合金中的體積分數被增加、長寬比被增加、晶粒變得粗大，并且上述的這些因素會導致力學性能的降低。但是在TC4鈦合金中時效時間在性能上，可能會產生的影響仍然缺乏深入的研究。

1.3 深冷處理

深冷處理是近些年來新興的一種處理工藝，其可以對金屬內部的組織進行改善，在進行深冷處理的時候操作比較方便，對環境也不會造成太大的污染，并且能夠讓在熱處理之后殘留的奧氏體被清除掉。實驗研究發現，原始的β相會在深冷處理的過程當中，逐漸的向α 、 相去轉變，殘余應力在組織中會變少，與此同時網籃狀組織的增加，會讓TC4鈦合金的韌性、強度、塑性，在組織上的性能得到提高[3] 。由于深冷處理的工藝在對有色的金屬材料，在組織、性能、影響方面的研究還沒有成熟，作用的具體機理也需要進一步的去研究，而且實施深冷處理的設備，在價格方面相對比較昂貴，因此在深冷處理工藝在設備的研發上，應該加大投入的力度、規模，這樣在未來的發展上能夠起到有效的推動作用。

2、發展的趨勢

針對上述對TC4鈦合金在當今的熱處理工藝中的現狀，在其未來的發展趨勢上，總結了以下幾點 ：

第一，TC4鈦合中的雙態組織、魏氏組織，二者既有優點也有缺點，因此在未來的研究上，應該對針對二者在缺陷上進行彌補，讓TC4鈦合金的力學性能得到有效的增強。

第二，由于空冷對力學性能在綜合性方面，起到了提高的作用，因此在固溶處理工藝中，對冷卻速率開展研究的時候，對空冷要進行著重的研究，讓TC4鈦合金經過空冷之后，自身的強度、硬度得到有效的提高，借此來讓TC4鈦合金的力學性能得到有效的增強。

第三，次生相的α在尺寸上的大小，取決于實效溫度的大小，因此相關的科研人員，應該對在實效的過程當中，如何通過對次生向的α在尺寸大小上的控制，對來TC4鈦合金在力學的綜合性能機進行掌控，達到讓TC4鈦合金的力學性能得到有效增強的目的。

第四，由于TC4鈦合金在時效時間、時效溫度上，對力學性能所產生的變化趨勢是相似的，因此相關的科研人員應該，針對TC4鈦合金在時效的時間上進行深入的研究。

第五，由于深冷處理工藝的設備，在價格上比較昂貴，具體的機理也尚且不夠了解，現階段也沒有得到廣泛的應用，因此未來在深冷處理的設備上的研究，主要是如何讓成本得到有效的降低，只有層本降低了才能大范圍，被實際到的應到各個領域當中，有助于推動TC4鈦合金在深冷處理工藝上的發展[4] 。

3、結語

綜上所述本文主要闡述了，TC4鈦合金的熱處理工藝，在當下的一些研究應用的現狀，對固溶處理工藝中包含的，固溶的溫度、冷卻的速率，對時效處理工藝中的時效溫度、時效時間，對TC4鈦合金在力學性能的綜合性方面的影響，并且針對在深冷處理中，奧氏體減少殘留的具體方法進行了分析、總結，最后對TC4鈦合金，在未來的發展趨勢、研究方向上，提出了一些分析思考。

參考文獻：

[1] 王新英.ZTC4鈦合金固溶時效熱處理工藝研究[C]//全國鈦及鈦合金學術交流會議.中國金屬學會;中國材料研究學會;中國有色金屬學會,2002.

[2] 鮑學淳.熱處理工藝對TC4鈦合金組織和力學性能的影響[J].金屬熱處理,2019,044(006):137-140.

[3] 王普強.不同熱處理工藝下激光增材制造TC4鈦合金組織與性能研究進展[J].航空制造技術,2020,63(10):56-65.

[4] 孟憲偉.TC4鈦合金熱處理工藝的研究現狀及進展[J].裝備制造與教育,2019,33(03):28-30+42.