1.Ti-6Al-4V钛合金简介

1.1钛合金介绍

Ti-6Al-4V钛合金属于(α β)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能，比强度大。TC4的强度σ_p=1.012GPa，密度ρ=4.4g/cm³，比强度σ_p/ρ=23.5，而合金钢的比强度σ_p/ρ小于18。Ti-6Al-4V钛合金热导率低,为铁的1/5、铝的1/10，其热导率λ=7.955W/m#183;K。

Ti-6Al-4V钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400℃~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金^[1]。

1.2 合金元素对钛合金的影响

1.3钛合金的应用

钛的物理性能具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性好、生物相容性优异等特点，此外钛及钛合金具有无毒、质轻、耐生物体腐蚀、弹性模量低及生物相容性优异等特点，成为理想的医用金属材料，被广泛应用于人体骨、人体关节、牙科、整形外科、心脏外科、体内支撑架及医疗器械等医学领域。迄今为止，还没有看到比钛合金更好的金属材料应用于临床的了^[2]。美国、西欧等极其重视钛合金的研发工作，不断发出新型医用材料，扩大了钛合金在医学领域的应用，满足了各类假肢、牙病患者康复的愿望^[3]。因此开发具有较长使用寿命和优异生物相容性的钛合金材料，应用前景广阔。

此外，钛合金也被广泛应用于航空航天业上。为了满足航空效率和降低成本的要求，减轻航空材料的密度和提高其性能变得越来越重要。钛合金因具有密度低(如 Ti-6Al-4V 钛合金密度为4.5g/cm³，是低碳钢的57% )、比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高(成形回弹大)、无毒无磁性、耐热性好、抗低温脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可装饰性强等特性而被广泛应用航天工业。作为当代先进飞机和航空发动机的主要结构材料之一，材料密度的降低可提高飞机的推重比，增加飞行距离和减少燃料费用。钛合金主要用于飞机的起落架部件，机身的蒙皮、桁条、框、隔热罩和壳体等，同时也用于发动机的压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣、罩、轴类等，且使用量在不断增加^[4]。先进钛合金的大量使用是新一代飞机和新型发动机先进性的显著标志之一，提高飞机的飞行速度和战斗特性，在这上面都起到了特别重要的作用，并且可大幅度提高结构减重效果和安全可靠性。美国等世界发达国家的航空用钛量占钛产量的50%以上，独联体和欧洲等国家的钛产品也主要用于飞机和航空发动机（见图1）。其中，美国在20世纪80 年代后设计的各种军用飞机中，钛合金的用量均在占飞机的结构重量20%以上，充分说明钛合金的重要战略地位与作用。

图1 国际市场和中国市场钛合金的消费占比

随着钛合金的不断发展，其势必会不断被应用到新的领域，并在新的领域不断地扩大采用。发展高综合性能钛合金材料与低成本制造技术是扩大钛合金应用的两大驱动力提高钛合金材料的高性能、低成本、系列化(通用化)是永恒的主题。未来钛合金发展势必会朝着低成本方向进行，提高材料利用率和低成本加工，研究并采用跨领域、军转民、军民共用、通用化技术途径，是扩大钛合金应用水平和用量的保证。

2.钛合金的熔炼工艺

2.1熔炼工艺分类

随着科学技术和生产发展的需要, 钛合金的熔炼技术在实践中不断开发和完善，钛和钛合金目前的主要熔炼工艺分为真空自耗和真空非自耗熔炼两种。真空自耗熔炼包括真空自耗电弧熔炼（VAR）、电渣熔炼以及真空凝壳炉熔炼三种。真空非自耗熔炼主要包括真空非自耗电弧熔炼如图3^[5]所示、冷坩埚感应熔炼、冷床炉熔炼，而冷床炉熔炼又分为电子束冷床炉熔炼（EBCHM）和等离子束冷床炉熔炼（PACHM）。

2.2悬浮熔炼

悬浮熔炼技术是指在熔炼过程中使被熔材料呈悬浮或准悬浮状态的技术。这种技术最突出的优点是排除了在高温条件下坩埚材料对金属熔体的污染，能制备纯度高、成分均匀且精确的材料，并能获得很高的熔炼温度，所以它是一种理想的熔炼技术，属于当代最先进的材料制备技术之一^[6]。该方法铸造速度快, 无滞流及气泡卷入等现象产生如图2^[7]所示, 可制造出壁厚小于1 mm的钛合金铸件。这种熔炼方式最大的优点在于: 由于采用了金属模, 不会产生表面污染, 质量比较稳定, 也省去了后续的酸洗工序，适用于制造简单形状的钛铸件。它通过排除坩埚材料的污染，在活泼金属合金、难熔金属合金，以及超纯金属合金的制备上有重要意义。

图2 悬浮状态下的液态Ti

悬浮熔炼下对于易挥发气体的去除有着良好的效果，能够降低高温蒸气微量元素的含量，降低宏观偏析和微观偏析，保持钛合金的一致性和稳定性，进而提高了钛合金纯度，获得纯度较高，化学成分均匀的钛合金，提高了钛合金的组织和性能，可以大大减少铸造的裂纹废品^[8]。

图3 电弧悬浮熔炼示意图

3.热处理制度对钛合金组织和性能的影响

3.1钛合金热处理工艺的分类

在钛合金材料的工程应用中,热处理工艺是确保钛合金正确使用的重要手段。钛合金的热处理工艺主要包括以下几种类型:退火处理,固溶处理和时效处理。根据钛合金的不同类型和不同的退火目的,退火处理又可分为消除应力退火,完全退火(再结晶退火),双重退火,等温退火,脱氢真空退火等几种形式。根据加热温度的不同,固溶处理又可分为以下两种类型:在（α β）/β相变点温度以上进行的固溶处理,简称为β固溶。在（α β）/β相变点温度以下进行的固溶处理,简称为α β固溶。对于时效处理,根据时效后获得的强度水平,有峰值时效和过时效(软化时效)之分^[9]。

3.1.1退火处理

（1）消除应力退火主要目的是消除在冷加工、冷成形及焊接等工艺过程中产生的内应力。这种退火有时也称为不完全退火。在这一过程中主要发生回复。退火的温度低于该合金的再结晶温度，消除应力退火的时间取决于工件的厚度、残余应力大小、所用的退火温度以及希望消除应力的程度，其冷却的方式一般采用空冷，对于大尺寸和形状复杂的零件也可以采用炉冷^[10]。

（2）完全退火主要目的是为了使组织和相成分均匀、降低硬度、提高塑性、获得稳定的或具有一定综合性能的显微组织。几完全退火过程中主要是发生再结晶，完全退火的温度高于该合金的再结晶温度，所以也称为再结晶退火。

（3）双重退火包括高温和低温两次退火处理，其目的是为了使合金组织更接近平衡状态，以保证其在高温及长期应力作用下的组织及性能稳定性。双重退火特别适用于高温钛合金。

（4）等温退火对α β型钛合金在（α β）/β转变温度以下100℃的范围内保温后直接转移到比该合金实际使用温度稍高的炉内继续保温一定时间，然后出炉空冷。等温退火是双重退火的种特殊形式^[11]。

（5）真空退火是为防止钛台金氧化及污染而在真空条件下进行的退火，同时，真空退火还可部分去除钛合金中的氢含量，防止钛合金发生氢脆。

3.1.2固溶处理

钛合金进行固溶处理的目的是获得可以产生时效强化的亚稳定β相，即将β固溶体以过饱和的状态保留到室温。固溶处理的温度选择在（α β）/β转变温度以上或以下的一定范围内进行(分别称为β固溶和α β固溶)，固溶处理的时间应能保证合金元素在β相中充分固溶。

3.1.3时效处理

钛合金进行时效处理的目的是为了促进固溶处理产生的亚稳定β相发生分解，产生强化效果。时效过程取决于时效温度和时效时间、时效温度和时效时间的选择应该以合金能获得最好的综合性能为原则。

确定钛合金的时效工艺通常是根据时效硬化曲线来进行。时效硬化曲线描述了合金在不同时效温度下，力学性能与时效时间的关系，力学性能可以是室温抗拉性能，也可以是硬度或其他性能。时效温度的选择，通常应避开相脆化区如图4^[12]所示，因此，一般选择在500℃以上。时效温度太低，难于避开ω相，若温度过高，则由β相直接分解的α相粗大，合金的强度降低^[13]。

根据时效后的强化效果，可以将时效分为峰值时效和过时效。几峰值时效的强度高，塑性相对满意；过时效则强度下降，而塑性更好，高温下的组织稳定性(热稳定性)及耐蚀性能好。有些合金为了获得较好的韧性和抗剪切性能，也采用较高温度时效^[14]。这种时效也称为稳定化处理。为了使合金在使用温度下有较好的热稳定性，可以采用在使用温度以上的时效。有时为了控制时效析出相的大小、形态和数量，某些合金还可以采用多级时效处理，也称为分级时效。分级时效通常先低温时效，然后再较高温度时效^[15]。

图4 不同热处理后Ti-6Al-4V钛合金板材的显微组织

表1 不同热处理后Ti-6Al-4V钛合金的室温力学性能

3.2固溶时效对钛合金组织演变和性能的影响

固溶处理和时效工艺可以溶解基体内碳化物，同时消除冷热加工产生的应力，使合金发生再结晶，获得适宜的晶粒度，以保证合金高温抗蠕变性能。有效的改善TC4-0.5Fe合金的塑性和韧性，为之后的工艺处理做好准备。

热处理后的合金强度随着固溶温度升高会先升高后降低，并且其塑性和冲击韧性随固溶温度升高而不断降低。在固溶温度相同时，随着时效温度升高，合金强度降低，塑性和韧性先升高后降低。热处理后的TC4钛合金的断口呈现出韧窝状。随着固溶时效温度的共同升高，TC4钛合金韧性下降，抵抗裂纹扩展能力减小^[16]。

TC4-0.5Fe合金的微观显微组织对其力学性能有的重要影响，在固溶时效处理后其强度可达1030MPa以上，在转变过程中，微观组织影响着其冷却速度和拉伸性能。开始时初始组织为初生a相和亚稳态β相，但随着固溶温度的升高，合金晶粒有所长大且亚稳态β相会发生α马氏体转变，α马氏体相略有长大，会使晶粒均匀，固溶温度达到 900℃后 ，会使α马氏体析出晶界完整的β相，最后形成魏氏组织^[17]。随着固溶温度的升高，合金抗拉强度和屈服强度先降后升，延伸率先升后降，在800℃出现峰值达到20后不随固溶温度升高而变化，面缩率变化不大，固溶温度对该合金塑性影响不大。试样在固溶处理后含有较多亚稳态的β相，冷镦性能很差^[18]。

4.本课题研究的目的和意义

本课题研究内容是TC4-0.5Fe合金的悬浮熔炼及固溶时效对其组织和性能的影响，主要研究其分类和典型组织、悬浮熔炼工艺对其组织和性能的影响、固溶时效对其组织和性能的影响、以及在我们实际生活中的应用。

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