鈦合金TC4性能研究進展分析

＊陳衛東王濟生孔永平

（1.河南中原重型鍛壓有限公司 河南 454650 2.河南省豫隆科學技術研究院有限公司 河南 450007）

鈦作為20世紀中期發展起來的一種重要的結構金屬，具有強度高、密度小、耐熱性高、耐蝕性好、韌性好等優勢性能，主要用于航空航天工業。隨著經濟及技術的突飛猛進，近年來，在對鈦合金的工藝研究方面也有一些突破性的成果，鈦合金也在汽車、海洋、石油化工、醫療、船舶等行業中得到了廣泛的應用[1]。

當前針對鈦合金TC4的殘余應力、耐腐蝕性能、疲勞壽命及蠕變現象方面的研究尚不充分。基于此，本文對鈦合金TC4的殘余應力、耐腐蝕性能、疲勞壽命及蠕變現象等進行分析，對鈦合金TC4的性能研究提供一定的參考。

1.鈦合金TC4的殘余應力

在鈦合金TC4的加工過程中，高溫連續加熱會造成鍛件不同區域的升溫速率有一定的差異，產生的溫度差導致鍛件產生殘余應力，致使鍛件發生變形、斷裂等。針對這一問題，呂孝根等[2]通過分段加熱方式降低加熱過程中不同區域的溫度差，即在熱處理前先預熱保溫，然后再進行熱處理，改善了鍛件的溫度均勻性繼而降低其殘余應力，改善鍛件的性能與品質。在鋼材的熱處理加工過程中，淬火可以提升鋼材的性能，但是淬火過程中淬火介質的選擇、淬火強度以及淬火工藝參數等均對鋼材的殘余應力的演化有一定的影響，這種影響主要是鋼材與淬火介質之間的傳熱過程的不均勻性所導致的。

對于鈦合金TC4來說，變形溫度和變形程度、變形速率是影響其殘余應力的因素，當變形的溫度和速率越大時，鍛件本身會動態回復，啟動鍛件的動態再結晶，這對改善鍛件的組織性能就會越有利。在實際生產過程中，如圖1，適當地提高鍛件的變形溫度和變形速率，降低鍛件的變形程度，能夠降低鍛件鍛造過程中產生的殘余應力，進而能提高產品的質量[3]。

圖1 變形溫度和變形速度對鍛件殘余應力的影響[3]

當鍛件的變形程度較低時，TC4鈦合金鍛件可以自主動態回復，此時有助于降低鍛件的殘余應力，而當鍛件的變形程度升高時，TC4鈦合金鍛件可以動態再結晶，此時會增加鍛件的殘余應力。由此，在選擇變形程度時，應盡量降低鍛件的變形程度。

2.鈦合金TC4的耐腐性能

不同的熱處理工藝如退火、固溶、時效可以對鈦合金的組織結構產生不同的影響，進而對鈦合金的耐腐蝕性能也產生影響。而鈦合金TC4的相組成、化學元素成分組成、晶粒尺寸等都可以影響鈦合金TC4的耐腐蝕性能[4]。

隨著退火溫度的升高和退火時間的延長，TC4鈦合金等軸相尺寸增加（β相含量增加，α相含量減少）如表1所示，耐腐蝕性能下降[5]。如圖2所示，把元素Cr和Fe加入到鈦合金TC4中可以使馬氏體轉變溫度下降，進而提高β相的穩定性，提高鈦合金TC4的耐腐蝕性能[6]。固溶處理后得到的馬氏體組織可以提高鈦合金材料的耐腐蝕性能，但是如果固溶溫度下降時，固溶后不僅會得到馬氏體組織，還會有α片層組織，此時鈦合金的耐腐性能就會隨之下降。因此這個過程受固溶溫度的影響。

圖2 試驗樣品的XRD譜圖[6]

鈦合金的耐腐蝕性能主要是得益于鈦合金的鈍化膜，這層鈍化膜對鈦合金有很強的保護性，鈍化膜是不同的氧化物組成的混合結構，但是其具體組成成分及變化還需要進一步分析研究[7]。當處于鹽酸環境中時，鈦合金TC4發生點蝕現象，這種現象主要受TC4鈦合金表面的粗糙程度影響。如果在鈦合金TC4表面加上氧化物涂層，也可以改變TC4鈦合金的腐蝕性能。氧化涂層的耐蝕性主要受微孔數量、孔徑、膜厚和成分等因素的影響，石墨烯的加入主要改變了氧化涂層的成分和結構，產生了SiC和石墨烯，SiC和石墨烯都能提高涂層的耐腐蝕性能。

海水溫度、壓力、pH、溶解氧含量均會影響材料的耐腐蝕性，而海洋中的微生物也是一個復雜的團體，微生物的附著、新陳代謝對TC4鈦合金材料的影響也是一個未知的問題，需要進一步的探討研究[8]。

3.鈦合金TC4的疲勞壽命

當TC4鈦合金的彈性模量、抗拉強度、屈服強度及斷面收縮率增長時，鍛件的疲勞壽命也會隨之增加，他們之間為正相關的關系。但是這也是單因素分析的結果，在實際生產中，溫度和外部載荷會使鍛件產生殘余應力，而產生的殘余應力隨著外部環境的變化釋放出來，會加速鍛件疲勞壽命的終結。因此，綜合各方面因素包括殘余應力、力學性能等對TC4鈦合金疲勞壽命進行深入研究探討其作用機制是研究的一個方向。

涂層能夠顯著提高鈦合金TC4的疲勞壽命，不同條件下的涂層疲勞壽命也會不同，涂層的缺陷會在合金表面形成裂紋，降低鈦合金TC4的疲勞壽命。對鎳鈦合金來說，通過研究它的化學成分、表面涂層、表面氧化、改進加工技術、熱處理方式等方法，能夠改善鎳鈦合金的生物兼容性以及疲勞性能[9]，或能對鈦合金的研究提供一定的思路。

鈦合金表面以微米為單位的微劃痕能顯著降低合金材料的疲勞壽命，使其從極高周疲勞降低到高周疲勞，而相較于劃痕的方向和長度對鈦合金疲勞壽命產生無明顯意義的影響，劃痕的深度和寬度則對鈦合金TC4的疲勞壽命產生了顯著的影響，這對鈦合金疲勞壽命的研究也指明了方向。

4.鈦合金TC4的蠕變性能

蠕變的發生會導致鍛件的變形、破裂，影響鍛件的正常運行，給工業生產、航空航天、道路運輸等帶來安全隱患及利益損失。影響鈦合金蠕變現象的因素有多種，鈦合金的蠕變行為不僅與外部服役環境有關，還與合金的化學成分、加工工藝及鍛件的尺寸大小、形狀等有關[10]。

在低應力水平下，鈦合金的蠕變隨著溫度的升高而變大；在較高的應力水平下，β鍛造區鈦合金的蠕變隨著溫度的升高變大幅度比較大，α+β鍛造區鈦合金的蠕變則相反，如圖3所示，而鈦合金的蠕變對鍛造變形量則敏感度不高。高溫環境下，TC4鈦合金的組織和性能都會發生變化，而且由于鈦合金的敏感性，需要鍛件具有較好的抗蠕變性能。

圖3 不同鍛造溫度下TC4鈦合金鍛件的蠕變曲線[11]

超細晶結構及非平衡相的成分也會影響鈦合金TC4的蠕變性能，使得鈦合金與經典的蠕變冪定律相反，蠕變過程中合金發生了β-α的相變，進行了合金元素的重新分布，降低了合金的蠕變激活能，提高了合金的抗蠕變性能。

在室溫條件下，外界壓力能夠細化TC4鈦合金組織，提高鍛件的抗塑性變形能力，同時減少了鍛件的蠕變量，降低了材料的蠕變速率[12]。另外，硬度的增加也能提高材料的抗蠕變能力[13]。不同的應力水平，鈦合金鍛件的蠕變殘余變量及蠕變速率也不相同，如圖4所示，其隨著應力水平的提高而增加，但是他們的變化趨勢相同[14]。

圖4 TC4棒材400℃的蠕變應變-時間曲線[14]

在較高的應力條件下，相對于快速的變形速度，材料的恢復過程就會變得很慢甚至沒有效果。蠕變過程中的內應力在初始階段迅速升高，而在穩定階段則趨于平穩，并且內應力會隨著外加應力的增大而增大。

不同的TC4鈦合金材料中的元素化學成分不同，添加稀土元素之后可以改善鈦合金材料的高溫蠕變性能。添加的稀土元素不同，帶來的影響也不盡相同，比如在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系的合金中添加稀土元素Ce之后，合金的抗蠕變性能反而有所下降[15]。在鈦合金中加入稀土元素主要通過三個方面發揮作用進而改善其蠕變性能，分別是稀土元素發生內氧化降低合金基體氧含量、抵制合金α相的析出長大及促使細小硅化物的均勻析出[16]。目前關于關于Si、Sc對鈦合金蠕變性能的影響還需要進一步研究，尤其是稀土元素Sc。故針對稀土元素對鈦合金蠕變性能的影響及作用機理研究是未來的研究方向之一。

5.結語

綜上所述，在TC4鈦合金鍛件的加工及使用過程中，不僅要關注研究鈦合金TC4的組織變化及強度、硬度、韌性等力學性能變化，還要結合鈦合金TC4的殘余應力變化、耐腐蝕性能、疲勞周期及蠕變現象等綜合研究鈦合金TC4的工藝參數，調整鍛件的服役質量和工作效率，進而促進鈦合金TC4在各行各業的廣泛應用。