TC4鈦合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

郭 凱，何忝锜，和 蓉

（西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

近些年來(lái)我國(guó)對(duì)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(yīng)用到了汽車、航空航天、化工、船舶等一些行業(yè)。與此同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)件的形狀比較復(fù)雜、傳統(tǒng)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(duì)較高等。但是對(duì)未來(lái)的發(fā)展而言，必然是經(jīng)濟(jì)性好、制造的周期的短、性能優(yōu)越的趨勢(shì)，所以相關(guān)的科研人員，應(yīng)該基于當(dāng)前的研究成果，進(jìn)行持續(xù)不斷的研究創(chuàng)新。

1 研究現(xiàn)狀

鈦合金在性質(zhì)上屬于同素異構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)上擁有密排的六方晶格α鈦結(jié)構(gòu)、體心立方的β鈦結(jié)構(gòu)。一旦鈦合金的溫度發(fā)生變化，其組織中的結(jié)構(gòu)就一定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，形成α相鈦、β相鈦，在達(dá)到一定的溫度之后，就會(huì)形成一種α+β相的組織鈦合金，另一個(gè)名稱是雙相鈦合金，我國(guó)用TC來(lái)表示。TC4鈦合金在性質(zhì)上屬于Ti-Al-V系，具備強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 固溶處理

TC4鈦合金在經(jīng)過(guò)固溶處理之前，在鈦合金的類型中屬于α+β型，缺點(diǎn)包括：耐磨性較差、冷軋成型時(shí)加工困難等，對(duì)其實(shí)施固溶處理工藝，是為了得到等軸穩(wěn)定的α相、馬氏體彌散的α、相、亞穩(wěn)定狀態(tài)的β相，等軸的α相能夠讓合金的力學(xué)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(qiáng)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(gè)方面的影響，分別是固溶時(shí)的速度快慢、冷卻時(shí)效率的高低，以下是對(duì)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(huán)境的不同來(lái)決定的，因?yàn)楣倘軠囟鹊牟煌?，?huì)導(dǎo)致TC4鈦合金在力學(xué)性能有不同的表現(xiàn)。固溶的合理選擇對(duì)TC4鈦合金，在軟化上起著幫助性的作用，進(jìn)而在后續(xù)的加工中減少機(jī)械的切削力，讓加工在成本上得到最大的降低。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率如果相同，那么變形時(shí)的溫度會(huì)升高，因?yàn)橐坏┌l(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)的結(jié)晶，在加工處理時(shí)候的硬化能力就會(huì)被削弱，熱變形抗力的減小速度會(huì)被加快。

另一實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，β相在轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，對(duì)于強(qiáng)度、殘余應(yīng)力而言，是其發(fā)生轉(zhuǎn)折的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)合金固溶的溫度低于β相在轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度的時(shí)候，一旦固溶的溫度開始上升，合金的強(qiáng)度伴隨溫度的增加，強(qiáng)度隨之增加，殘余應(yīng)力也得到了緩慢的提高。當(dāng)合金固溶的溫度高于β相在轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度的時(shí)候，出現(xiàn)的現(xiàn)象就是，固溶的溫度提高之后，合金的強(qiáng)度伴隨溫度的增加，反而卻呈現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，并且合金的殘余應(yīng)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(xù)的呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

當(dāng)合金固溶的溫度高于β相在轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度的時(shí)候，該合金在微觀的組織上，會(huì)轉(zhuǎn)化成為板條狀中非常典型的魏氏體，這就是導(dǎo)致該合金在強(qiáng)度、塑性規(guī)模，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)最主要的原因。雙態(tài)組織的應(yīng)力在松弛能力方面相對(duì)比較強(qiáng)，而且在轉(zhuǎn)變的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)受到次生的α相的任何干擾，魏氏組織在殘余應(yīng)力方面，相對(duì)于雙態(tài)組織要低一些。在TC4鈦合金當(dāng)中，魏氏組織、雙態(tài)組織二者，都有其各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的主要研究方向應(yīng)該是，對(duì)兩種組織中存在的缺陷應(yīng)該如何消除，進(jìn)而在組織方面得到更好的性能，讓TC4鈦合金在未來(lái)能夠廣泛的，應(yīng)用到日常的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)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(huì)不同，當(dāng)下常見的冷卻方式有爐冷、水冷、空冷等。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，TC4鈦合金在經(jīng)過(guò)退火之后，爐冷中能夠得到一種現(xiàn)象，那就是α相均勻的分布在β相中，內(nèi)應(yīng)力因此被消除，組織穩(wěn)定性、使塑性由此提高，強(qiáng)度、硬度因此降低。另一實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在爐冷的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，存在著相對(duì)很深的韌窩，在得到的強(qiáng)度方面空冷高于爐冷。另一實(shí)驗(yàn)研究又發(fā)現(xiàn)，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(xì)小，空冷的塑性由此被提升。在得到的力學(xué)性能的綜合方面，由于空冷比爐冷、水冷更好，但是在強(qiáng)度上空冷比水冷低，因此未來(lái)的固溶處理工藝，在對(duì)冷卻速率的研究上要加強(qiáng)，讓TC4鈦合金經(jīng)過(guò)空冷之后，在強(qiáng)度、硬度上得到提高，進(jìn)而讓TC4鈦合金在力學(xué)的綜合性能上得到更好的提高。

1.2 時(shí)效

時(shí)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(shí)間，讓金屬的強(qiáng)度得到提高的一種工藝[2]。以下主要是針對(duì)時(shí)效中的溫度、時(shí)間，在組織、力學(xué)性能上對(duì)TC4鈦合金的影響，并且對(duì)TC4鈦合金的時(shí)效處理、未來(lái)發(fā)展的方向上做出了總結(jié)。

1.2.1 時(shí)效溫度

時(shí)效溫度雖然對(duì)于出生的α相影響力方面比較小，但是對(duì)次生的α相，在尺寸上起著決定性的作用。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在條件相同情況之下，雙態(tài)組織的TC4鈦合金在動(dòng)態(tài)抗拉的強(qiáng)度方面，隨著次生片層的α相在寬度上的增加，導(dǎo)致其強(qiáng)度減小，然而在靜態(tài)的力學(xué)性能中只有斷后的伸長(zhǎng)率，會(huì)隨著次生的α相在寬度上的增加而加。另一實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，次生的α相體積分?jǐn)?shù)在TC4鈦合金中，會(huì)對(duì)屈服強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響。在條件相等的情況之下，時(shí)效溫度越低組織越小，時(shí)效溫度高低組織越大。

綜上所述，時(shí)效由于溫度的升高而導(dǎo)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(xué)性能上得到提升，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是，對(duì)次生的α相在尺寸上實(shí)施控制?？蒲腥藛T后續(xù)的主要研究方向，應(yīng)該是對(duì)次生α相的具體控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金在力學(xué)的性能上得到更好的提升。

1.2.2 時(shí)效時(shí)間

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于時(shí)效時(shí)間長(zhǎng)的ω相，給初生的α相提供的形核點(diǎn)，導(dǎo)致了初生的α相在體積分?jǐn)?shù)上被增大了。由于時(shí)效的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生了一種激發(fā)形核的現(xiàn)象，導(dǎo)致次生的α相在TC4鈦合金中的體積分?jǐn)?shù)被增加、長(zhǎng)寬比被增加、晶粒變得粗大，并且上述的這些因素會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的降低。但是在TC4鈦合金中時(shí)效時(shí)間在性能上，可能會(huì)產(chǎn)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(lái)新興的一種處理工藝，其可以對(duì)金屬內(nèi)部的組織進(jìn)行改善，在進(jìn)行深冷處理的時(shí)候操作比較方便，對(duì)環(huán)境也不會(huì)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(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，原始的β相會(huì)在深冷處理的過(guò)程當(dāng)中，逐漸的向α、相去轉(zhuǎn)變，殘余應(yīng)力在組織中會(huì)變少，與此同時(shí)網(wǎng)籃狀組織的增加，會(huì)讓TC4鈦合金的韌性、強(qiáng)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(duì)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(jī)理也需要進(jìn)一步的去研究，而且實(shí)施深冷處理的設(shè)備，在價(jià)格方面相對(duì)比較昂貴，因此在深冷處理工藝在設(shè)備的研發(fā)上，應(yīng)該加大投入的力度、規(guī)模，這樣在未來(lái)的發(fā)展上能夠起到有效的推動(dòng)作用。

2 發(fā)展的趨勢(shì)

針對(duì)上述對(duì)TC4鈦合金在當(dāng)今的熱處理工藝中的現(xiàn)狀，在其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)上，總結(jié)了以下幾點(diǎn)：

第一，TC4鈦合中的雙態(tài)組織、魏氏組織，二者既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，因此在未來(lái)的研究上，應(yīng)該對(duì)針對(duì)二者在缺陷上進(jìn)行彌補(bǔ)，讓TC4鈦合金的力學(xué)性能得到有效的增強(qiáng)。

第二，由于空冷對(duì)力學(xué)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(duì)冷卻速率開展研究的時(shí)候，對(duì)空冷要進(jìn)行著重的研究，讓TC4鈦合金經(jīng)過(guò)空冷之后，自身的強(qiáng)度、硬度得到有效的提高，借此來(lái)讓TC4鈦合金的力學(xué)性能得到有效的增強(qiáng)。

第三，次生相的α在尺寸上的大小，取決于實(shí)效溫度的大小，因此相關(guān)的科研人員，應(yīng)該對(duì)在實(shí)效的過(guò)程當(dāng)中，如何通過(guò)對(duì)次生向的α在尺寸大小上的控制，對(duì)來(lái)TC4鈦合金在力學(xué)的綜合性能機(jī)進(jìn)行掌控，達(dá)到讓TC4鈦合金的力學(xué)性能得到有效增強(qiáng)的目的。

第四，由于TC4鈦合金在時(shí)效時(shí)間、時(shí)效溫度上，對(duì)力學(xué)性能所產(chǎn)生的變化趨勢(shì)是相似的，因此相關(guān)的科研人員應(yīng)該，針對(duì)TC4鈦合金在時(shí)效的時(shí)間上進(jìn)行深入的研究。

第五，由于深冷處理工藝的設(shè)備，在價(jià)格上比較昂貴，具體的機(jī)理也尚且不夠了解，現(xiàn)階段也沒有得到廣泛的應(yīng)用，因此未來(lái)在深冷處理的設(shè)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(shí)際到的應(yīng)到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，有助于推動(dòng)TC4鈦合金在深冷處理工藝上的發(fā)展[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述本文主要闡述了，TC4鈦合金的熱處理工藝，在當(dāng)下的一些研究應(yīng)用的現(xiàn)狀，對(duì)固溶處理工藝中包含的，固溶的溫度、冷卻的速率，對(duì)時(shí)效處理工藝中的時(shí)效溫度、時(shí)效時(shí)間，對(duì)TC4鈦合金在力學(xué)性能的綜合性方面的影響，并且針對(duì)在深冷處理中，奧氏體減少殘留的具體方法進(jìn)行了分析、總結(jié)，最后對(duì)TC4鈦合金，在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)、研究方向上，提出了一些分析思考。