熱處理工藝對TC4 鈦合金組織及性能的影響

孟利軍，楊嬌妮，茍曼曼

（1.西安漢唐分析檢測有限公司，陜西 西安 710201；2.西安市軌道交通集團有限公司運營分公司，陜西 西安 710018）

在使用熱處理工藝以后，鈦合金的組織結構以及使用性能等都會發生一定的變化，所以探究熱處理工藝對其性能及組織產生的影響，不僅可以提高鈦合金原材料的使用性能，還能夠通過對其原理的探究，使我國航空航天及軍事方面具有更好的發展。通過初步探究可以表明，冷卻的速度可能會對鈦合金組織的轉變起到一定的作用，并且速度越快其轉變的方式由原子擴散為馬氏體轉變，主導地位越發明顯。同時從微觀角度進行分析，不同的熱處理工藝也會對其組織結構以及使用的性能產生一定的影響。尤其是鈦合金的力學性能方面，會隨著熱處理工藝流程的進行而發生一定的轉變[1]。

1 熱處理工藝對TC4鈦合金產生的作用概述

1.1 探究熱處理工藝對鈦合金組織性能影響的目的

目前探究熱處理工藝對TC4 鈦合金組織及性能產生的影響具有非常重要的意義，其目的主要分為以下幾種，首先是因為現階段鈦合金材料在我國航空航天領域以及軍事領域中得到了廣泛的應用，所以探究其結構的變化以及使用性能的變化，不僅可以提高航空航天方面的科學技術水平，還能夠為我國軍事領域帶來更多的可利用數據。目前探究熱處理工藝對鈦合金組織的影響，主要是為了通過表明鈦合金組織的變化，對其他合金的使用性能產生的影響，從而明確熱處理制度以及組織和性能之間的一一對應關系。同時還研究了，在熱處理過程中其實冷的時間，冷熱的循環流程以及不同熱處理操作流程以后，對TC4 鈦合金的力學性能產生的影響。進而表明了在TC4 鈦合金組織及性能方面產生的微觀-宏觀-微觀的對應關系。

1.2 鈦合金的基本性質概述

要想明確熱處理工藝對TC4 鈦合金產生的作用，首先要了解鈦合金的基本性質，鈦合金的特點有以下幾點，首先是其密度相對較小，而且強度高，鈦元素的密度為4.5g 每立方厘米左右，親密度大小是銅的1/2，是鋼元素的3/5，雖然鈦元素的密度比鋁合金的密度要高，但是在強度方面，鈦合金的強度要遠高于鋁合金的強度，同時在常溫的條件下，其抗拉性能也相對較高。

其次是鈦合金的硬度較高，硬度達到了HRC32～38，鈦合金的彈性模量相對較低，其彈性模量的數值在107～117GPa 之間，彈性模量值是鋼或者不銹鋼材料的1/2，并且易于彎曲，在某些特定的情況下，可以通過鈦合金彈性模量低的特點制成相應的彈性元件，進而應用在航空航天和軍事領域中，最后是鈦合金的優良性能還體現在，在常溫或者高溫的條件下力學性能更佳，鋁合金在150℃的條件下會失去相應的力學性能，而鋼鐵在320℃的條件下會失去原本具有的力學性能，但是鈦合金能夠保證在500℃～600℃的條件下仍然可以正常的工作，因此在航空航天領域的航空部件運行過程中，經常會使用鈦合金在一些高溫條件下進行使用。同時在某些低溫的條件下，鈦合金也不會因為低溫現象出現冷卻問題，并且與常溫條件相比，在低溫時鈦合金的強度還會有所增加，所以表明態合金的韌性比其他金屬材料更加優異。然后是在耐化學腐蝕方面太元素，活潑性相對較高，因為其電化學平衡的電位較低，所以在電化學腐蝕的相應條件下極易出現腐蝕現象，但是在溫度低于550℃時，鈦元素的表面會形成相應的氧化鈦膜，進而能夠防止很多酸性物質或者強堿性物質腐蝕氧化鈦膜下的鈦金屬，即使某些部位的氧化膜出現了刮傷問題，鈦元素也能夠快速的合成相應的氧化鈦膜，進而達到自動愈合的目的。在某些海水浸泡條件下，因為其還有很多活潑性相對較強的氧化性物質，所以也體現了鈦合金在潛水艇以及水上飛機的制造過程中具有較大的優勢[2-5]。

1.3 不同種類鈦合金的對比分析

目前在我國常用的鈦合金種類相對較多，因為鈦及其合金元素具有較多的優勢，所以目前在軍事領域，機械設備領域以及航天航空領域，得到了越來越廣泛的應用，鈦元素及鈦合金具有現代金屬以及太空金屬的著稱，因為鈦及其他合金元素在實際應用過程中表現相對較為優異，所以各個國家都認識到了鈦合金的重要性，進而加大了對其的研究。目前常見的鈦合金種類有以下幾種，第1 種為α 型鈦合金，其主要的核心組成元素為鋁、錫等合金元素，其主要的優點是在使用過程中耐高溫性能相對較好，而且組織的穩定性相對較高，并且具有較強的耐腐蝕性，其缺點是容易出現開裂問題，在常溫條件下其塑性相對較低，所以在航空航天領域中，某些受力相對較小的板材或者管件，主要適用α 型鈦合金作為結構材料。

然后是近α 型鈦合金材料，其主要依靠α 穩定元素進行固溶強化，并且添加了少量的β 穩定元素，這種合金材料中被它的含量相對較少，所以即使出現了空隙和分解的現象，也不會使其力學性能發生顯著的惡化問題。因此也表明了近α型鈦合金不僅具有α 合金中焊接性相對較高，穩定性相對較強的特點，同時在高溫情況下還可以具有更高的瞬時強度，但是近α 型鈦合金的主要缺點是不能對其進行強化熱處理操作。

第3 種是α 加β 鈦合金，這種鈦合金也叫做雙相鈦合金，雙相鈦合金中的貝塔元素添加量在5%左右，當雙相鈦合金中的鋁元素的含量低于50%，β 相在某些特定的狀態下將會達到組織的20%以上，因此表明了這種鈦合金在實際應用過程中具有相對較好的強度，并且其綜合的力學性能也能夠得到優化，而且在熱加工的過程中，其性能優良，其主要的缺點是穩定程度不夠，組織的穩定性相對較低。

第4 種近β 型鈦合金，這種鈦合金在實際應用的過程中，合金化的程度相對較高，并且在固溶的狀態下，這種合金具有樹形相對較高，而且可焊性好的特點，一直在某些室溫條件下，因為其強度高，韌性好，得到了廣泛的應用。但是其耐熱性相對較低，并且在冶金的過程中，合金的組成成分過于復雜。

2 熱處理工藝對鈦合金組織及性能的影響分析

2.1 熱處理工藝對鈦合金組織和性能的影響

當前在針對鈦合金組織和性能進行影響分析的過程中，首先要明確熱處理的特點，熱處理主要是依賴淬火時，雙相的鈦合金能夠形成亞穩相的分解操作，進而保證鈦合金中的馬氏體相變時不會出現較為明顯的強化問題，同時鈦合金還會出現同素異構的轉變，進而很難起到細化鈦合金的作用，因為鈦合金的導熱性能相對較差，所以如果出現了局部變形或者溫度升高的問題將會形成魏氏組織，進而導致整個鈦合金材料的導熱性能降低，尤其是在針對一些α 加β 型鈦合金進行熱處理的過程中，因為其淬火的熱應力相對較大，所以極易導致鈦合金零件出現彎曲問題。因為鈦元素及鈦合金物質的化學性質相對較為活潑，并且極易出現析氫反應，引起氫脆問題，所以在使用加熱爐對鈦合金物質進行加熱的過程中，必須要對其氣氛進行嚴格的控制，并且鈦元素及鈦合金物質還容易和水蒸氣和氧元素發生相應的化學反應，進而在鈦合金的表面出現致密的氧化層，影響整個鈦合金的使用性能，所以，在針對其進行熱處理的過程中應該明確氧化層的影響作用。鈦合金的相變溫度，會受到熔煉條件以及熔煉參數的影響，例如加熱爐中的真空程度，熔煉的次數以及含有的雜質含量等，都會對鈦合金的相變溫度產生一定的影響，尤其是當鈦合金物質在β 型進行加熱的過程中，β 型鈦合金的長大傾向相對較大，進而導致β 型鈦合金出現粗化問題，使其塑性性能下降，所以此時應該對其加熱溫度以及保溫的時間等進行嚴格的控制，防止在β 型進行熱處理工藝時，影響晶粒的塑性及其它使用性能。

2.2 實驗探究流程分析

為了明確對其性能及組織結構的影響，首先需要進行相應的實驗流程，先將需要實驗的試樣放入到溫度為955℃的熱處理，氣氛爐中進行固溶操作，在完成固溶一個小時以后，進行爐冷操作，空冷操作以及水冷操作，然后保證其在560℃左右進行保溫操作6 小時并且利用顯微鏡對試樣進行其組織的檢測，并且明確其微觀組織形態，然后利用萬能的試驗機對試樣的力學性能進行各方面的檢測，通過研究固溶以后其冷卻速度變化的影響，探究其對微觀組織的影響，條件及影響流程。然后再針對微觀組織的變化情況，對其力學性能的影響進行探究，進而建立起相應的對應關系，利用相似的方法保證試驗能夠在不同溫度下進行固溶操作，然后通過采取不同的固溶溫度，對試樣的微觀組織以及力學性能影響進行相應的數據分析。然后，在保證在同一物種溫度的條件下，對其進行保溫操作保溫的時間分別控制為4個小時，6 個小時，8 個小時以及12 個小時后再進行空氣冷卻操作，然后觀察不同保溫時間長短下，對試樣微觀組織結構的影響以及力學性能的影響，并且每種不同條件下的實驗要做三次，取三次平行試樣的平均值作為相應的結果進行對比分析。

3 結束語

綜上所述，現階段使用熱處理工藝對TC4 鈦合金組織及性能會產生一定的影響，因為鈦合金的應用越發廣泛，所以探究其具體的影響情況具有非常重要的意義。