TC4/TC11鈦合金成型工藝比較及性能分析

收稿日期：20240418

基金項目：咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項目（編號：2023KJB05）。

作者簡介：羅皎，講師，主要從事機械方面的研究。

摘 要：為實現(xiàn)TC4和TC11兩種鈦合金的有效連接，提升TC4/TC11鈦合金的拉伸性能和塑性，分別對TC4和TC11兩種鈦合金粉末實施固溶處理后，采用單純激光和點式鍛壓激光兩種成型工藝對兩種材料進行焊接。為驗證TC4/TC11鈦合金的綜合性能，研究對鈦合金材料的表面形貌進行觀測并測試其拉伸性能。根據(jù)結(jié)果可知，相較于單純激光工藝，點式鍛壓激光成型工藝下制備的TC4/TC11鈦合金具有更強的拉伸性能、抗拉強度和屈服強度分別增加了105.2%和116.4%。相較于未經(jīng)固溶處理的TC4/TC11鈦合金情況，經(jīng)過固溶處理的合金材料具有更高的塑性，有助于提升鈦合金材料的可加工性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，固溶處理和點式鍛壓激光成型工藝能夠有效提升TC4/TC11鈦合金的拉伸性能和可加工性能。

關(guān)鍵詞：鈦合金；點式鍛壓；固溶處理；拉伸性能

中圖分類號：TG241

文獻標志碼：A

TC4/TC11 titanium alloy forming process comparison and performance analysis

LUO Jiao

（Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， Shaanxi， China）

Abstract： In order to realize the effective connection of TC4 and TC11 titanium alloys， the tensile properties and plasticity of TC4/TC11 titanium alloys were improved. In this study， TC4 and TC11 titanium alloy powders were solution treated， and the two materials were welded by two forming processes： simple laser and point forging laser. In order to verify the comprehensive properties of TC4/TC11 titanium alloy， the surface morphology of titanium alloy materials was observed and its tensile properties were tested. According to the results， compared with the simple laser process， the TC4/TC11 titanium alloy prepared by the point forging laser forming process has stronger tensile properties， and the tensile strength and yield strength are increased by 105.2% and 116.4%， respectively. In addition， compared with TC4/TC11 titanium alloys without solution treatment， the solution-treated alloy materials have higher plasticity， which helps to improve the machinability of titanium alloy materials. It is found that solution treatment and point forging laser forming process can effectively improve the tensile and machinability of TC4/TC11 titanium alloy.

Key words： titanium alloy； point forging； solution treatment； tensile properties

0 引 言

點式鍛壓激光成型工藝具有成型過程靈活、適用范圍廣、生產(chǎn)成本低等方面的特點，能夠有效克服鈦合金在傳統(tǒng)成型工藝下普遍存在的柱狀晶粗大、力學(xué)性能不足等問題。苗廣輝等^［1］通過點式鍛壓激光制備了TC4鈦合金葉片試件，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可大幅降低鈦合金葉片的磨損體積，顯著提升了葉片的耐腐蝕性能和耐磨損性能；席明哲等^［2］預(yù)先對TC17鈦合金進行770℃/4h退火處理，顯著提升了鈦合金在點式鍛壓激光成型后的拉伸強度；呂超等^［3］通過連續(xù)點式鍛壓激光工藝對TC11鈦合金厚壁零件實施成型加工處理，發(fā)現(xiàn)成型后的TC11鈦合金內(nèi)部組織為等軸晶組織，等軸晶尺寸均勻，可避免出現(xiàn)常規(guī)成型工藝下常見的晶間斷裂問題，提高鈦合金材料塑性。在現(xiàn)有成果的啟發(fā)下，本文研究通過點式鍛壓激光成型工藝對TC4和TC11兩種鈦合金實施成型加工處理，顯著提升了TC4/TC11合金材料的力學(xué)性能。

1 鈦合金的點式鍛壓激光成型方法

1.1 TC4/TC11鈦合金的成型與熱處理簡介

本文研究的TC4/TC11鈦合金目標厚度為20mm，分別采用以下方法進行。

1.1.1 激光成型

針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到10mm后，將材料改為TC11再沉積10mm。

1.1.2 點式鍛壓成型

針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到7mm后，將整個體系轉(zhuǎn)移至點式鍛壓工作臺，用同樣的材料繼續(xù)沉積至10mm。在此基礎(chǔ)上，將材料更換為TC11并繼續(xù)點式鍛壓沉積至13mm，最后采用激光沉積工藝將整個體系沉積至20mm^［46］。

1.1.3 復(fù)合成型

針對TC4實施激光沉積處理，待沉積厚度達到5mm后，將整個體系轉(zhuǎn)移至點式鍛壓工作臺，用同樣的材料繼續(xù)沉積至10mm。在此基礎(chǔ)上，將材料更換為TC1 采用同樣的方法將整個體系沉積至20mm^［79］。

1.1.4 固溶處理

為改善材料塑性，通過電阻熱處理爐對TC4和TC11鈦合金粉末實施溶固熱處理，所采用的固溶處理制度分別為930℃/2h、950℃/2h、970℃/2h。

1.2 材料與設(shè)備

1.2.1 所需材料

所需材料包括TC4鈦合金粉、TC11鈦合金粉、鈦合金基板，各項材料均購自上海中鎳實業(yè)有限公司，化學(xué)成分如表1～3所示。

1.2.2 所需設(shè)備

所需設(shè)備包括FG450型光纖激光器組（深圳市非凡光電），SX2916A型電阻熱處理爐（上海捷呈），WLSCNC型光學(xué)顯微鏡（東莞微鈮斯），ZC1139型掃描電子顯微鏡（上海茁彩）、UTM0402萬能拉伸機（承德金建）。

1.3 檢測和測試方法

1.3.1 微觀檢測

通過光學(xué)微觀鏡觀察鈦合金材料的微觀形貌；通過掃描電子顯微鏡對鈦合金材料進行斷口形貌分析。

1.3.2 拉伸性能測試

通過萬能拉伸機對鈦合金材料進行拉伸性能測試，設(shè)定拉伸速率為1mm/min，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

2 TC4/TC11鈦合金測試結(jié)果

2.1 4TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結(jié)果

TC4/TC11鈦合金的拉伸性能測試結(jié)果如圖2所示。根據(jù)圖2可知，點式鍛壓工藝能夠顯著提升TC4/TC11鈦合金的抗拉強度和屈服強度，點式鍛壓成型鈦合金相較于激光成型鍛件的抗拉強度增加了105.2%，屈服強度增加了116.4%，延伸率則有所降低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，TC4/TC11鈦合金在點式鍛壓工藝下存在內(nèi)部殘余應(yīng)力，后續(xù)的激光沉積無法充分釋放材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，致使成型件出現(xiàn)加工硬化^［1011］。除此之外，激光成型工藝在快速冷卻的過程中釋放大量熱應(yīng)力，致使合金內(nèi)部出現(xiàn)較多片層狀的α相微觀組織，降低了TC4/TC11鈦合金的延伸率^［1213］。為提高該材料的延伸率，使其在工業(yè)加工過程中體現(xiàn)出更加理想的塑性，研究思路為對TC4和TC11鈦合金粉末實施固溶處理。

2.2 固溶處理對鈦合金微觀組織的影響

以TC11鈦合金為例，該材料在經(jīng)過固溶處理后的表面微觀形貌如圖3所示。根據(jù)圖3（b）可知，在固溶溫度由930℃增加至950℃的過程中，合金材料的α相體現(xiàn)出了更加明顯的球化特征，α相寬度也隨之提升；根據(jù)圖3（c）可知，在固溶溫度達到970℃的情況下，合金材料內(nèi)部晶粒主要表現(xiàn)為棒狀α相、針狀α相和等軸α相，晶界球化作用顯著且較為細小。

2.3 固溶處理對TC4/TC11鈦合金拉伸性能的影響

經(jīng)過固溶處理的TC4/TC11鈦合金拉伸性能測試結(jié)果如表4所示。鈦合金的塑性與強度主要與其內(nèi)部所含有的α相有關(guān)，α相的寬度與" 材料強度成反比，與塑性成正比^［1415］。根據(jù)表4可知，在固溶溫度逐漸增加的過程中，激光成型的鈦合金強度呈先降后升的趨勢，延伸率走勢則相反。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，鈦合金內(nèi)部的α相含量隨固溶溫度的提升而增加，β相含量相對減少，在增加合金材料強度的同時也降低了延伸率^［1617］。而在固溶溫度達到970℃的情況下，α相的長寬比隨之下降，出現(xiàn)等軸狀和棒狀α相，合金材料延伸率得到提升，塑性得到改善。

在點式鍛壓成型工藝方面，TC4/TC11鈦合金強度在固溶溫度增加過程中呈現(xiàn)出先降后升的趨勢。當固溶溫度為930℃時，合金材料內(nèi)部的α相較為狹長，在固溶溫度提升至950℃后，合金材料內(nèi)部因點式鍛壓所造成的形變得到恢復(fù)，α相呈板條狀且相對含量增加，致使材料的強度隨之下降^［1819］。在固溶溫度達到970℃的情況下，材料內(nèi)部的α相重新恢復(fù)到均勻且狹長的狀態(tài)，晶界處出現(xiàn)等軸α相，使得合金材料的強度得到顯著提升。

2.4 固溶處理對TC4/TC11鈦合金斷口形貌的影響

經(jīng)過固溶處理的TC4/TC11鈦合金微觀斷口形貌如圖4～6所示。根據(jù)圖4可知，經(jīng)過930℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀形貌較為平滑，微觀表面分布有較淺的韌窩，且材料內(nèi)部存在沿晶斷裂，塑性不足。

根據(jù)圖5可知，經(jīng)過950℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金斷口宏觀表面存在較大起伏，并分布有些許小切面。微觀表面分布有深度較大的韌窩，材料內(nèi)部呈現(xiàn)出塑性斷裂特征。

根據(jù)圖6可知，經(jīng)過970℃固溶處理后的TC4/TC11鈦合金宏觀斷面存在較為明顯的起伏，且起伏幅度和頻率較低。微觀表面沒有明顯的解理平臺，韌窩均勻且深度更大，材料內(nèi)部呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，塑性得到了顯著改善。

3 結(jié)束語

本文介紹了點式鍛壓激光工藝在鈦合金加工成型處理中的應(yīng)用方法，采用TC4和TC11兩種鈦合金粉末制備出了TC4/TC11鈦合金。經(jīng)拉伸后發(fā)現(xiàn)，點式鍛壓激光成型工藝雖然能夠提升TC4/TC11鈦合金的拉伸性能，但塑性有所下降。因此，研究對TC4和TC11兩種鈦合金粉末實施固溶處理。經(jīng)微觀形貌觀察后發(fā)現(xiàn)，隨著固溶溫度的提升，合金材料內(nèi)部的α相形態(tài)得到顯著改善，且斷面韌窩深度隨之提升。當固溶溫度達到970℃時，合金材料內(nèi)部呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，有效改善了材料塑性。綜上所述，采用高溫固溶和點式鍛壓激光成型兩種工藝制備TC4/TC11鈦合金，能夠在維持合金材料良好塑性的基礎(chǔ)上有效提升其拉伸性能。

參考文獻：

［1］苗廣輝，韓開生，田寧.點式鍛壓激光快速成型TC4鈦合金葉片的組織與性能研究［J］.熱加工工藝，2023，52（23）：9295+99.

MIAO G H， HAN K S， TIAN N. Research on the microstructure and properties of TC4 titanium alloy blades produced by point forging laser rapid prototyping ［J］. Hot processing technology， 2023，52（23）：9295+99.

［2］席明哲，李明躍，張晟偉，等.退火溫度和壓下量對點式鍛壓激光成型TC17鈦合金組織性能的影響［J］.塑性工程學(xué)報，202 29（10）：5564.

XI M Z， LI M Y， ZHANG S W， et al. The influence of annealing temperature and reduction amount on the microstructure and properties of TC17 titanium alloy formed by point forging laser forming ［J］. Journal of Plastic Engineering， 202 29（10）：5564.

［3］呂超，吳貞號.連續(xù)點式鍛壓激光快速成型TC11鈦合金的組織和力學(xué)性能［J］.金屬學(xué)報，2017，53（09）：10651074.

L C， WU Z H. Microstructure and mechanical properties of TC11 titanium alloy produced by continuous point forging laser rapid prototyping ［J］. Acta Metallica， 2017，53（09）：10651074.

［4］王幸運，楊錚，趙小龍.不同熱處理制度對Gr.38鈦合金板材的組織性能的影響［J］.鍛壓技術(shù)，2024，49（03）：202206.

WANG X Y， YANG Z， ZHAO X L. The influence of different heat treatment regimes on the microstructure and properties of Gr. 38 titanium alloy sheet ［J］. Forging Technology， 2024，49（03）：2022206.

［5］李海濤，陳冬梅，官海婷，等.Ti62A鈦合金固溶過程中初生α相的球化機理［J］.金屬熱處理，2024，49（03）：168173.

LI H T， CHEN D M， GUAN H T， et al. Spheroidization mechanism of primary α phase in Ti62A titanium alloy during solid solution process ［J］. Metal Heat Treatment， 2024，49（03）：168173.

［6］王奔，龍志凱，鄭英曉，等.刀具鈍化方法對硬質(zhì)合金銑刀加工鈦合金切削性能的影響［J］.工具技術(shù)，2024，58（03）：3337.

WANG B， LONG Z K， ZHENG Y X， et al. The influence of tool passivation method on the cutting performance of titanium alloy machined by hard alloy milling cutters ［J］. Tool Technology， 2024，58（03）：3337.

［7］何石.典型鈦合金蒙皮加支撐結(jié)構(gòu)高溫環(huán)境下振動疲勞壽命研究［J］.工程與，2024，64（01）：798 96.

HE S. Experimental study on vibration fatigue life of typical titanium alloy skin and support structure under high temperature environment ［J］. Engineering and Testing， 2024，64（01）：7981+96.

［8］付宇明，馬順芯，劉紹峰，等.TC4表面激光熔覆硬質(zhì)復(fù)合涂層組織與性能［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，52（03）：1017.

FU Y M， MA S X， LIU S F， et al. Microstructure and Properties of Laser Cladding Hard Composite Coating on TC4 Surface ［J］. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition）， 2024，52（03）：1017.

［9］張春雨，肖婷，趙巖，等.激光直接沉積增材制造鈦合金超聲檢測方法研究［J］.無損探傷，2024，48（02）：16，11.

ZHANG C Y， XIAO T， ZHAO Y， et al. Research on Ultrasonic Testing Method for Laser Direct Deposition Additive Manufacturing of Titanium Alloy ［J］. Non destructive testing， 2024，48（02）：16+11.

［10］蘇奧，蘇運娟.Ti6Al4V鈦合金環(huán)保型陽極氧化及封閉處理研究［J］.電鍍與精飾，2024，46（03）：6674.

SU A， SU Y J. Research on Environmentally friendly Anodizing and Sealing Treatment of Ti-6Al-4V Titanium Alloy ［J］. Electroplating and Finishing， 2024，46（03）：6674.

［11］朱辰哲，付秀麗，王立群，等.高強亞穩(wěn)β鈦合金的變形損傷行為研究現(xiàn)狀［J］.制造技術(shù)與機床，2024，（03）：7684.

ZHU C Z， FU X L， WANG L Q， et al. Research status of deformation damage behavior of high-strength metastable β - titanium alloy ［J］. Manufacturing Technology and Machine Tools，2024，（03）：7684.

［12］張啟元，李亞非，熊志亮，等.熱強鈦合金應(yīng)用于壓氣機盤鍛件實例分析研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2024，59（01）：102107.

ZHANG Q Y， LI Y F， XIONG Z L， et al. Case study on the application of hot strengthened titanium alloy in compressor disc forgings ［J］. Forging Equipment and Manufacturing Technology， 2024，59（01）：102107.

［13］薛添淇，閆少帥，張敏，等.TC32鈦合金TIG焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能研究［J］.焊管，2024，47（02）：7078.

XUE T Q， YAN S S， ZHANG M， et al. Study on microstructure and mechanical properties of TC32 titanium alloy TIG welded joints ［J］. Welded pipe， 2024，47（02）：7078.

［14］姜琪，孫利星，張藝豪，等.QAl1044/TC6雙金屬連接界面組織與力學(xué)性能分析［J］.銅業(yè)工程，2024，（01）：4553.

JIANG Q， SUN L X， ZHANG Y H， et al. Analysis of microstructure and mechanical properties of QAl10-4-4/TC6 bimetallic connection interface ［J］. Copper Engineering， 2024，（01）：4553.

［15］袁杏，仇一卿，張宏達，等.基于復(fù)雜鈦合金零件的點焊自動化單元研究［J］.焊接技術(shù)，2024，53（02）：104109.

YUAN X，QIU Y Q， ZHANG H D， et al. Research on spot welding automation unit based on complex titanium alloy parts ［J］. Welding Technology， 2024，53（02）：104109.

［16］楊東，賈天浩.TC4鈦合金側(cè)銑加工表面形貌分析及工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.海軍航空大學(xué)學(xué)報，2024，39（01）：131138.

YANG D， JIA T H. Surface morphology analysis and process parameter optimization of TC4 titanium alloy side milling machining ［J］. Journal of Naval Aviation University， 2024，39（01）：131138.

［17］祝鶴，劉艷梅，趙棟，等.焊后熱處理對TA15鈦合金中厚板焊接接頭彎曲性能的影響［J］.金屬熱處理，2024，49（02）：179182.

ZHU H， LIU Y M， ZHAO D， et al. The Effect of Post weld Heat Treatment on the Bending Properties of TA15 Titanium Alloy Medium thick Plate Welded Joints ［J］. Metal Heat Treatment， 2024，49（02）：179182.

［18］華承亮，趙有，李偉琪.CMC對紙張濕抗張強度的影響［J］.造紙技術(shù)與應(yīng)用，2023，51（03）：1214.

HUA C L， ZHAO Y， LI W Q. The influence of CMC on the wet tensile strength of paper ［J］. Papermaking Technology and Applications， 2023，51（03）：1214.

［19］董北偉.基于BPNN的造紙纖維特性與紙頁抗張強度性能關(guān)系分析［J］.造紙科學(xué)與技術(shù)，202 41（02）：6265.

DONG B W. Analysis of the Relationship between Paper Fiber Characteristics and Tensile Strength Performance of Paper Sheets Based on BPNN ［J］. Paper Science and Technology， 202 41（02）：6265.