我国航空航天船舶制造用TC4钛合金热处理工艺的研究现状

近些年来我国对TC4钛合金，在热处理的工艺研究上，取得了一些比较大的成果，TC4钛合金因此被广泛的应用到了汽车、航空航天、化工、船舶等一些行业。与此同时也存在着一些缺点，比如结构件的形状比较复杂、传统的加工在工艺上比较繁琐杂，材料的利用率偏低，制造的成本相对较高等。但是对未来的发展而言，必然是经济性好、制造的周期的短、性能优越的趋势，所以相关的科研人员，应该基于当前的研究成果，进行持续不断的研究创新。

1、研究现状

钛合金在性质上属于同素异构体，在结构上拥有密排的六方晶格α钛结构、体心立方的β钛结构。一旦钛合金的温度发生变化，其组织中的结构就一定会产生相应的变化，形成α相钛、β相钛，在达到一定的温度之后，就会形成一种α+β相的组织钛合金，另一个名称是双相钛合金，我国用TC来表示。TC4钛合金在性质上属于Ti-Al-V系，具备强度高、密度小、耐腐蚀性能强等优点。

1.1 固溶处理

TC4钛合金在经过固溶处理之前，在钛合金的类型中属于α+β型，缺点包括 ：耐磨性较差、冷轧成型时加工困难等，对其实施固溶处理工艺，是为了得到等轴稳定的α相、马氏体弥散的α 、 相、亚稳定状态的β相，等轴的α相能够让合金的力学性能得到综合性的提升，马氏体弥散的α 、 相能够让合金，在强度、硬度上得到提高，塑性、韧性被降低。固溶处理的工艺主要是受到两个方面的影响，分别是固溶时的速度快慢、冷却时效率的高低，以下是对这两方面的具体分析[1] 。

1.1.1 固溶温度

TC4钛合金在固溶温度的选择上，是按照金属在加工、工作环境的不同来决定的，因为固溶温度的不同，会导致TC4钛合金在力学性能有不同的表现。固溶的合理选择对TC4钛合金，在软化上起着帮助性的作用，进而在后续的加工中减少机械的切削力，让加工在成本上得到最大的降低。

实验研究发现，应变速率如果相同，那么变形时的温度会升高，因为一旦发生动态回复、动态的结晶，在加工处理时候的硬化能力就会被削弱，热变形抗力的减小速度会被加快。

另一实验研究发现，β相在转变时的温度，对于强度、残余应力而言，是其发生转折的一个点。当合金固溶的温度低于β相在转变时的温度的时候，一旦固溶的温度开始上升，合金的强度伴随温度的增加，强度随之增加，残余应力也得到了缓慢的提高。当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候，出现的现象就是，固溶的温度提高之后，合金的强度伴随温度的增加，反而却呈现了下降的趋势，并且合金的残余应力开始大幅度的降低。TC4钛合金在塑性的性能方面，是伴随温度的升高反而持续的呈现下降的趋势。

当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候，该合金在微观的组织上，会转化成为板条状中非常典型的魏氏体，这就是导致该合金在强度、塑性规模，呈现下降趋势最主要的原因。双态组织的应力在松弛能力方面相对比较强，而且在转变的整个过程当中，不会受到次生的α相的任何干扰，魏氏组织在残余应力方面，相对于双态组织要低一些。在TC4钛合金当中，魏氏组织、双态组织二者，都有其各自独特的优势，未来的主要研究方向应该是，对两种组织中存在的缺陷应该如何消除，进而在组织方面得到更好的性能，让TC4钛合金在未来能够广泛的，应用到日常的各个领域当中去。

1.1.2 冷却速率

在固溶处理工艺中冷却速率的不同，钛合金在性能的获取上也会不同，当下常见的冷却方式有炉冷、水冷、空冷等。

实验研究发现，TC4钛合金在经过退火之后，炉冷中能够得到一种现象，那就是α相均匀的分布在β相中，内应力因此被消除，组织稳定性、使塑性由此提高，强度、硬度因此降低。另一实验研究发现，在炉冷的整个过程当中，存在着相对很深的韧窝，在得到的强度方面空冷高于炉冷。另一实验研究又发现，韧窝在空冷中也同样存在，还因此提高了空冷的冲击韧性，在获取的等轴α相中空冷比炉冷要细小，空冷的塑性由此被提升。在得到的力学性能的综合方面，由于空冷比炉冷、水冷更好，但是在强度上空冷比水冷低，因此未来的固溶处理工艺，在对冷却速率的研究上要加强，让TC4钛合金经过空冷之后，在强度、硬度上得到提高，进而让TC4钛合金在力学的综合性能上得到更好的提高。

1.2 时效

时效属于热处理工艺中的一种，是指能在一定的温度下，把金属放在其中一段时间，让金属的强度得到提高的一种工艺[2] 。以下主要是针对时效中的温度、时间，在组织、力学性能上对TC4钛合金的影响，并且对TC4钛合金的时效处理、未来发展的方向上做出了总结。

1.2.1 时效温度

时效温度虽然对于出生的α相影响力方面比较小，但是对次生的α相，在尺寸上起着决定性的作用。实验研究发现，在条件相同情况之下，双态组织的TC4钛合金在动态抗拉的强度方面，随着次生片层的α相在宽度上的增加，导致其强度减小，然而在静态的力学性能中只有断后的伸长率，会随着次生的α相在宽度上的增加而加。另一实验研究发现，次生的α相体积分数在TC4钛合金中，会对屈服强度产生很大的影响。在条件相等的情况之下，时效温度越低组织越小，时效温度高低组织越大。

综上所述，时效由于温度的升高而导致性能下降的主要原因是，次生α相的尺寸被增大了，因此要想让TC4钛合金在力学性能上得到提升，最关键的一点就是，对次生的α相在尺寸上实施控制。科研人员后续的主要研究方向，应该是对次生α相的具体控制，来实现TC4钛合金在力学的性能上得到更好的提升。

1.2.2 时效时间

实验研究发现，由于时效时间长的ω相，给初生的α相提供的形核点，导致了初生的α相在体积分数上被增大了。由于时效的时间过长，进而产生了一种激发形核的现象，导致次生的α相在TC4钛合金中的体积分数被增加、长宽比被增加、晶粒变得粗大，并且上述的这些因素会导致力学性能的降低。但是在TC4钛合金中时效时间在性能上，可能会产生的影响仍然缺乏深入的研究。

1.3 深冷处理

深冷处理是近些年来新兴的一种处理工艺，其可以对金属内部的组织进行改善，在进行深冷处理的时候操作比较方便，对环境也不会造成太大的污染，并且能够让在热处理之后残留的奥氏体被清除掉。实验研究发现，原始的β相会在深冷处理的过程当中，逐渐的向α 、 相去转变，残余应力在组织中会变少，与此同时网篮状组织的增加，会让TC4钛合金的韧性、强度、塑性，在组织上的性能得到提高[3] 。由于深冷处理的工艺在对有色的金属材料，在组织、性能、影响方面的研究还没有成熟，作用的具体机理也需要进一步的去研究，而且实施深冷处理的设备，在价格方面相对比较昂贵，因此在深冷处理工艺在设备的研发上，应该加大投入的力度、规模，这样在未来的发展上能够起到有效的推动作用。

2、发展的趋势

针对上述对TC4钛合金在当今的热处理工艺中的现状，在其未来的发展趋势上，总结了以下几点 ：

第一，TC4钛合中的双态组织、魏氏组织，二者既有优点也有缺点，因此在未来的研究上，应该对针对二者在缺陷上进行弥补，让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。

第二，由于空冷对力学性能在综合性方面，起到了提高的作用，因此在固溶处理工艺中，对冷却速率开展研究的时候，对空冷要进行着重的研究，让TC4钛合金经过空冷之后，自身的强度、硬度得到有效的提高，借此来让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。

第三，次生相的α在尺寸上的大小，取决于实效温度的大小，因此相关的科研人员，应该对在实效的过程当中，如何通过对次生向的α在尺寸大小上的控制，对来TC4钛合金在力学的综合性能机进行掌控，达到让TC4钛合金的力学性能得到有效增强的目的。

第四，由于TC4钛合金在时效时间、时效温度上，对力学性能所产生的变化趋势是相似的，因此相关的科研人员应该，针对TC4钛合金在时效的时间上进行深入的研究。

第五，由于深冷处理工艺的设备，在价格上比较昂贵，具体的机理也尚且不够了解，现阶段也没有得到广泛的应用，因此未来在深冷处理的设备上的研究，主要是如何让成本得到有效的降低，只有层本降低了才能大范围，被实际到的应到各个领域当中，有助于推动TC4钛合金在深冷处理工艺上的发展[4] 。

3、结语

综上所述本文主要阐述了，TC4钛合金的热处理工艺，在当下的一些研究应用的现状，对固溶处理工艺中包含的，固溶的温度、冷却的速率，对时效处理工艺中的时效温度、时效时间，对TC4钛合金在力学性能的综合性方面的影响，并且针对在深冷处理中，奥氏体减少残留的具体方法进行了分析、总结，最后对TC4钛合金，在未来的发展趋势、研究方向上，提出了一些分析思考。

参考文献：

[1] 王新英.ZTC4钛合金固溶时效热处理工艺研究[C]//全国钛及钛合金学术交流会议.中国金属学会;中国材料研究学会;中国有色金属学会,2002.

[2] 鲍学淳.热处理工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2019,044(006):137-140.

[3] 王普强.不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展[J].航空制造技术,2020,63(10):56-65.

[4] 孟宪伟.TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展[J].装备制造与教育,2019,33(03):28-30+42.