文 献 综 述

1.钛合金概述

钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有密度小、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、超弹，高阻尼等独特功能，被广泛应用在航空航天、军事、冶金、化工、电力、轻工、能源、生物医学以及民用领域等，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作”全能的金属”、”海洋金属”、”太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，Ti 被视为在 Fe、Al 之后处于发展中的”第三金属”、”战略金属”^[1]。俄罗斯、日、美及中国等国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同需求进行了各自的研发，现在已经得到广泛应用^[2-4]。钛在地壳中所占自然元素的比例为0.56%,排列居第 9 位,按结构金属排列居第 4 位,仅次于Al、Fe、Mg ,比常见金属 Cu 、Pb、Zn 的储量的总和还多。我国Ti资源丰富,储量世界第一,但二氧化钛的品位稍低、氧化钙和氧化镁含量高,这增加了钛的利用难度。由于原生金属钛的生产能耗高,并有氯等污染物的排放,因此钛的生产有从发达国家转向富电及劳动力廉价的发展中国家的趋势 ^[5-6]。

1.1 Ti-6Al-4V钛合金简介

Ti 合金 TC4 是美国于 1954 年首先研制成功的等轴马氏体型两相合金, 由于其具有优异的综合性能，现在已经发展成为世界各国通用的钛合金，是钛合金中的王牌合金^[2]。TC4 合金根据精炼程度分为普通 TC4 和 TC4(ELI),该合金现在占到钛合金总产量的 50%,占到全部钛合金加工件的 95%。自从该合金出现以后,对它的研究一直持续不断。这些年由于设计概念的变化,以及对新的应用领域的开发,从而对它的研究又掀起了高潮。目前已对该合金的显微组织和织构、热处理工艺、截面大小、加载方向、应力比、表面状态及腐蚀环境对合金疲劳性能的影响规律及影响机理开展了大量研究工作,使TC4再度成为新的应用材料^[6]。

1.2 Ti-6Al-4V钛合金的应用

钛元素对人体无毒，并且质量轻强度高，具有非常好的生物相容性，是理想的医用金属材料，最早用作生物材料的钛合金 Ti-6A1-4V 已实用多年。汽车轻量化是钛材最具开发潜力的市场之一。在发动机中使用钛合金可减轻发动机的重量，从而降噪、减摩、省油，提高发动机效率。目前，Ti-6Al-4V 合金已大量用于制造赛车发动机的气阀^[1]。由于TC4具有很好的室温强度和高温耐热性能,还用于制作飞机的蒙皮, 压气机盘和叶片, 及航天发动机用燃料储存罐等重要的受力复杂的零部件。其中，TC4-DT 是针对航空长寿命结构件研发的一种中强高韧损伤容限型钛合金^[7-8]，该合金具有良好的工艺性能和焊接性能,物理性能和力学性能与 TC4(ELI) 一致，差别主要在于合金成分的控制，热处理、锻造工艺。TC4(ELI) 是海洋工程用钛合金的一种重要选择，在美国舰船上已成功获得应用。中国研制的 TC4-DT 合金已在我国航空飞机上成功获得应用，也应获得海洋工程方面的应用^[9]。

随着科技的进步，钛及其合金生产成本降逐渐降低，除了传统的航空航天和海洋工程领域，钛合金在汽车、建筑等民用领域的应用也越来越广泛,如利用 TC4 可以制造高尔夫球头。

2. 合金元素的添加对Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

钛合金按退火组织可以分为α、β和α β三大类，牌号分别以TA、TB和TC加上顺序号数字表示。合金成分、组织状态、相的组成及分布、织构等微观特征可以决定钛合金的性能^[10]。实践表明^[11-12]，在基本不影响材料强度的前提下，降低钛合金中间隙元素的含量，可以有效地提高材料的低温韧性和延伸率，以及材料的低温力学性能。TC4属于(α β)两相钛合金，α β钛合金既加入α稳定元素，又加入β稳定元素，使α和β相同时得到强化。为了改善合金的成型性和热处理强化的能力，必须获得足够数量的β相。因此，α β钛合金的性能主要由β相稳定元素来决定。