热处理工艺对TC4钛板钛棒钛锻件等钛合金材料组织及性能的影响

在使用热处理工艺以后，钛合金的组织结构以及使用性能等都会发生一定的变化，所以探究热处理工艺对其性能及组织产生的影响，不仅可以提高钛合金原材料的使用性能，还能够通过对其原理的探究，使我国航空航天及军事方面具有更好的发展。通过初步探究可以表明，冷却的速度可能会对钛合金组织的转变起到一定的作用，并且速度越快其转变的方式由原子扩散为马氏体转变，主导地位越发明显。同时从微观角度进行分析，不同的热处理工艺也会对其组织结构以及使用的性能产生一定的影响。尤其是钛合金的力学性能方面，会随着热处理工艺流程的进行而发生一定的转变[1] 。

1、热处理工艺对TC4钛合金产生的作用概述

1.1   探究热处理工艺对钛合金组织性能影响的目的

目前探究热处理工艺对TC4钛板、TC4钛棒、TC4钛锻件等TC4钛合金组织及性能产生的影响具有非常重要的意义，其目的主要分为以下几种，首先是因为现阶段TC4钛板、钛棒等钛合金材料在我国航空航天领域以及军事领域中得到了广泛的应用，所以探究其结构的变化以及使用性能的变化，不仅可以提高航空航天方面的科学技术水平，还能够为我国军事领域带来更多的可利用数据。目前探究热处理工艺对钛合金组织的影响，主要是为了通过表明钛合金组织的变化，对其他合金的使用性能产生的影响，从而明确热处理制度以及组织和性能之间的一一对应关系。同时还研究了，在热处理过程中其实冷的时间，冷热的循环流程以及不同热处理操作流程以后，对TC4钛合金的力学性能产生的影响。进而表明了在TC4钛合金组织及性能方面产生的微观-宏观-微观的对应关系。

1.2   钛合金的基本性质概述

要想明确热处理工艺对TC4钛合金产生的作用，首先要了解钛合金的基本性质，钛合金的特点有以下几点，首先是其密度相对较小，而且强度高，钛元素的密度为4.5g每立方厘米左右，亲密度大小是铜的1/2，是钢元素的3/5，虽然钛元素的密度比铝合金的密度要高，但是在强度方面，钛合金的强度要远高于铝合金的强度，同时在常温的条件下，其抗拉性能也相对较高。

其次是钛合金的硬度较高，硬度达到了HRC32~38，钛合金的弹性模量相对较低，其弹性模量的数值在107~117GPa之间，弹性模量值是钢或者不锈钢材料的1/2，并且易于弯曲，在某些特定的情况下，可以通过钛合金弹性模量低的特点制成相应的弹性元件，进而应用在航空航天和军事领域中，最后是钛合金的优良性能还体现在，在常温或者高温的条件下力学性能更佳，铝合金在150℃的条件下会失去相应的力学性能，而钢铁在320℃的条件下会失去原本具有的力学性能，但是钛合金能够保证在 500℃ ~600℃的条件下仍然可以正常的工作，因此在航空航天领域的航空部件运行过程中，经常会使用钛合金在一些高温条件下进行使用。同时在某些低温的条件下，钛合金也不会因为低温现象出现冷却问题，并且与常温条件相比，在低温时钛合金的强度还会有所增加，所以表明态合金的韧性比其他金属材料更加优异。然后是在耐化学腐蚀方面太元素，活泼性相对较高，因为其电化学平衡的电位较低，所以在电化学腐蚀的相应条件下极易出现腐蚀现象，但是在温度低于550℃时，钛元素的表面会形成相应的氧化钛膜，进而能够防止很多酸性物质或者强碱性物质腐蚀氧化钛膜下的钛金属，即使某些部位的氧化膜出现了刮伤问题，钛元素也能够快速的合成相应的氧化钛膜，进而达到自动愈合的目的。在某些海水浸泡条件下，因为其还有很多活泼性相对较强的氧化性物质，所以也体现了钛合金在潜水艇以及水上飞机的制造过程中具有较大的优势[2-5] 。

1.3   不同种类钛合金的对比分析

目前在我国常用的钛合金种类相对较多，因为钛及其合金元素具有较多的优势，所以目前在军事领域，机械设备领域以及航天航空领域，得到了越来越广泛的应用，钛元素及钛合金具有现代金属以及太空金属的著称，因为钛及其他合金元素在实际应用过程中表现相对较为优异，所以各个国家都认识到了钛合金的重要性，进而加大了对其的研究。目前常见的钛合金种类有以下几种，第1种为α型钛合金，其主要的核心组成元素为铝、锡等合金元素，其主要的优点是在使用过程中耐高温性能相对较好，而且组织的稳定性相对较高，并且具有较强的耐腐蚀性，其缺点是容易出现开裂问题，在常温条件下其塑性相对较低，所以在航空航天领域中，某些受力相对较小的板材或者管件，主要适用α型钛合金作为结构材料。

然后是近α型钛合金材料，其主要依靠α稳定元素进行固溶强化，并且添加了少量的β稳定元素，这种合金材料中被它的含量相对较少，所以即使出现了空隙和分解的现象，也不会使其力学性能发生显著的恶化问题。因此也表明了近α型钛合金不仅具有α合金中焊接性相对较高，稳定性相对较强的特点，同时在高温情况下还可以具有更高的瞬时强度，但是近α型钛合金的主要缺点是不能对其进行强化热处理操作。

第3种是α加β钛合金，这种钛合金也叫做双相钛合金，双相钛合金中的贝塔元素添加量在5%左右，当双相钛合金中的铝元素的含量低于50%，β相在某些特定的状态下将会达到组织的20%以上，因此表明了这种钛合金在实际应用过程中具有相对较好的强度，并且其综合的力学性能也能够得到优化，而且在热加工的过程中，其性能优良，其主要的缺点是稳定程度不够，组织的稳定性相对较低。

第4种近β型钛合金，这种钛合金在实际应用的过程中，合金化的程度相对较高，并且在固溶的状态下，这种合金具有树形相对较高，而且可焊性好的特点，一直在某些室温条件下，因为其强度高，韧性好，得到了广泛的应用。但是其耐热性相对较低，并且在冶金的过程中，合金的组成成分过于复杂。

2、热处理工艺对钛合金组织及性能的影响分析

2.1   热处理工艺对钛合金组织和性能的影响

当前在针对钛合金组织和性能进行影响分析的过程中，首先要明确热处理的特点，热处理主要是依赖淬火时，双相的钛合金能够形成亚稳相的分解操作，进而保证钛合金中的马氏体相变时不会出现较为明显的强化问题，同时钛合金还会出现同素异构的转变，进而很难起到细化钛合金的作用，因为钛合金的导热性能相对较差，所以如果出现了局部变形或者温度升高的问题将会形成魏氏组织，进而导致整个钛合金材料的导热性能降低，尤其是在针对一些α加β型钛合金进行热处理的过程中，因为其淬火的热应力相对较大，所以极易导致钛合金零件出现弯曲问题。因为钛元素及钛合金物质的化学性质相对较为活泼，并且极易出现析氢反应，引起氢脆问题，所以在使用加热炉对钛合金物质进行加热的过程中，必须要对其气氛进行严格的控制，并且钛元素及钛合金物质还容易和水蒸气和氧元素发生相应的化学反应，进而在钛合金的表面出现致密的氧化层，影响整个钛合金的使用性能，所以，在针对其进行热处理的过程中应该明确氧化层的影响作用。钛合金的相变温度，会受到熔炼条件以及熔炼参数的影响，例如加热炉中的真空程度，熔炼的次数以及含有的杂质含量等，都会对钛合金的相变温度产生一定的影响，尤其是当钛合金物质在β型进行加热的过程中，β型钛合金的长大倾向相对较大，进而导致β型钛合金出现粗化问题，使其塑性性能下降，所以此时应该对其加热温度以及保温的时间等进行严格的控制，防止在β型进行热处理工艺时，影响晶粒的塑性及其它使用性能。

2.2 实验探究流程分析

为了明确对其性能及组织结构的影响，首先需要进行相应的实验流程，先将需要实验的试样放入到温度为955℃的热处理，气氛炉中进行固溶操作，在完成固溶一个小时以后，进行炉冷操作，空冷操作以及水冷操作，然后保证其在560℃左右进行保温操作6小时并且利用显微镜对试样进行其组织的检测，并且明确其微观组织形态，然后利用万能的试验机对试样的力学性能进行各方面的检测，通过研究固溶以后其冷却速度变化的影响，探究其对微观组织的影响，条件及影响流程。然后再针对微观组织的变化情况，对其力学性能的影响进行探究，进而建立起相应的对应关系，利用相似的方法保证试验能够在不同温度下进行固溶操作，然后通过采取不同的固溶温度，对试样的微观组织以及力学性能影响进行相应的数据分析。然后，在保证在同一物种温度的条件下，对其进行保温操作保温的时间分别控制为4个小时，6个小时，8个小时以及12个小时后再进行空气冷却操作，然后观察不同保温时间长短下，对试样微观组织结构的影响以及力学性能的影响，并且每种不同条件下的实验要做三次，取三次平行试样的平均值作为相应的结果进行对比分析。

3、结束语

综上所述，现阶段使用热处理工艺对TC4钛合金组织及性能会产生一定的影响，因为钛合金的应用越发广泛，所以探究其具体的影响情况具有非常重要的意义。

参考文献

[1] 尉文超,李云坤,薛彦均,孙挺,时捷.热处理工艺对TC4钛合金冲击磨损性能的影响[J].金属热处理,2020,45(06):7-11.

[2] 谭玉全.热处理对TC4钛合金组织、性能的影响及残余应力消除方法的研究[D].重庆大学,2016.

[3] 齐立春,黄利军,赵新青,黄旭.热处理对TC4钛合金厚板组织和性能的影响[J].材料热处理学报,2015,36(S1):78-83.

[4] 甘章华,梁宇,王锦林,刘静.热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响[J].金属热处理,2014,39(09):36-40.

[5] 王悔改,冷文才,李双晓,陈明叶.热处理工艺对TC4钛合金组织和性能的影响[J].热加工工艺,2011,40(10):181-183.