鈦合金因具有較高的強(qiáng)度、高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的腐蝕抗力及耐蝕性、較寬的工作溫度范圍及耐熱性高等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器和電子等領(lǐng)域。由于鈦合金的化學(xué)活性高，熱加工過程易產(chǎn)生氧化，影響加工性能，再加之鈦合金的屈強(qiáng)比(R_m／R_p)較高，加工成形時易產(chǎn)生裂紋，而且由于屈服強(qiáng)度對彈性模量的比值較高，使零件成形困難。因此了解鈦合金的組織和性能特點(diǎn)及加工成形工藝方法和特點(diǎn)．對鈦合金的加工具有重要意義。鑒于此，本文介紹了鈦合金的組織、性能特點(diǎn)及加工工藝和改善加工性能的途徑，為鈦合金組織設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1、 鈦合金的性能及組織特點(diǎn)

鈦合金具有較高的強(qiáng)度。其抗拉強(qiáng)度686～1176MPa，而密度α為鋼的60％左右，比強(qiáng)度高于鋁合金及高合金鋼。鈦合金的熔點(diǎn)較高，被列為高溫合金，新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550~600℃。鈦合金是低溫容器的理想材料，在低溫下， α鈦合金可在20K的低溫下使用 。在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成的氧化膜其致密度覆蓋系數(shù)大于1，氧化膜致密、連續(xù)，附著力強(qiáng)，保護(hù)鈦基體不被腐蝕。根據(jù)合金元素對鈦合金組織的影響，將鈦合金分為α鈦合金、α+β鈦合金及β鈦合金三大類。α鈦合金具有密排六方晶格結(jié)構(gòu)，具有良好的抗蠕變性能，熱強(qiáng)性及抗氧化性強(qiáng)、良好的焊接性及耐蝕性，但塑性較低，變形抗力大，熱加工性能較差，不能熱處理強(qiáng)化。β鈦合金為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，具有良好的強(qiáng)度韌性和較高的熱成形性，可熱處理強(qiáng)化，是超高強(qiáng)度鈦合金的組織嗍。(α+β)鈦合金具有α鈦和β鈦合金的特點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，鈦合金根據(jù)其化學(xué)成分、成形溫度及熱處理冷卻速度等不同會形成魏氏組織、網(wǎng)籃狀組織、等軸狀組織、雙態(tài)組織等。

鈦合金中的魏氏組織為粗大的原始β晶粒，β晶界面上有連續(xù)分布的α相，β晶粒內(nèi)為多種取向的片狀的α+β板條束。兩相鈦合金變形終止溫度在β區(qū)，變形量不大時容易形成魏氏組織，在β相區(qū)退火，也會形成魏氏組織，魏氏組織中α+β板條的粗細(xì)與冷卻速度有關(guān)，冷速較快時板條束較細(xì)。研究表明舊，魏氏組織的鈦合金斷裂韌性、蠕變抗力、持久強(qiáng)度高，塑性、抗疲勞性能低，熱穩(wěn)定性差。網(wǎng)籃狀組織的形成是在(α+β)／β相變點(diǎn)附近變形，或在β相區(qū)開始變形，而在α+β相區(qū)終止變形，變形量較大時，使原始β晶粒及晶界α破碎，冷卻后儀束的尺寸減小，α條變短，且各叢交錯排列，猶如編織網(wǎng)籃的形狀，稱為網(wǎng)籃組織。具有網(wǎng)籃組織的鈦合金其塑性、蠕變抗力和高溫持久等綜合性能好，斷裂韌性 瑚。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)籃組織鈦合金可用于長期高溫受力的部件。鈦合金的等軸狀組織是在α+β相區(qū)熱加工時，溫度較高，在變形過程中，α相和β相發(fā)生再結(jié)晶，獲得等軸狀的α+β組織。若變形溫度低，再結(jié)晶不發(fā)生或部分發(fā)生，隨后進(jìn)行再結(jié)晶退火，也可得到等軸組織。組織的等軸程度與變形程度、加熱溫度和保溫時間有關(guān)。等軸狀α+β組織的鈦合金低周疲勞性能和拉伸強(qiáng)度較高。雙態(tài)組織是α+β鈦合金在兩相區(qū)較高的溫度變形，組織中的α相會形成等軸狀或片狀，冷卻后會形成雙態(tài)組織，組織中的等軸狀是初生α，片狀α是β轉(zhuǎn)變組織獲得。雙態(tài)組織和等軸組織的性能特征大致相同．具有較高的疲勞強(qiáng)度和塑性[15]。

2 、鈦合金的加工工藝研究進(jìn)展

2.1 鈦合金的鑄造成形

2.1.1熔鑄及鑄造方法

室溫下鈦比較穩(wěn)定。在大氣下熔鑄鈦合金會急劇氧化和氮化，形成大量夾雜物，影響鑄件的成形。因此，鈦合金熔煉要在真空或惰性氣氛保護(hù)下熔煉。目前，鑄造鈦合金熔煉設(shè)備主要有真空自耗電弧凝殼爐、真空非自耗電弧凝殼爐、電子束凝殼爐、冷壁坩堝感應(yīng)爐和等離子凝殼爐等。采用”凝殼“柑鍋，熔煉時可在坩堝壁上形成一層一定厚度的鈦合金凝固殼體。這層導(dǎo)熱性較差的殼，可保護(hù)鈦熔池不受污染。鈦合金的鑄造方法主要有熔模精密鑄造、石墨搗實(shí)型鑄造、石墨型鑄造、金屬型鑄造等方法舊。鈦合金液在熔融狀態(tài)下化學(xué)活性很強(qiáng)，能與很多耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此鋼、鐵等非鐵合金鑄造常用的造型材料和粘結(jié)劑都不適用鈦合金的鑄造。鈦合金鑄造的造型材料主要有石墨、難熔金屬粉、惰性氧化物型和金屬等。石墨材料造型主要有機(jī)加工石墨型、石墨砂的搗實(shí)型和熔模石墨型。鈦合金熔模精密鑄造的方法主要有石墨熔模鑄造、難溶金屬面層和惰性氧化物面層陶瓷型鑄造。石墨熔模鑄造是采用石墨粉作為耐火材料．制殼涂料是由石墨粉、粘結(jié)劑、表面活性劑和溶劑配制而成的，常用的粘結(jié)劑有合成樹脂和膠體石墨。難溶金屬面層型殼材料主要采用的是鎢粉，并以金屬有機(jī)化合物或膠體金屬氧化物作粘結(jié)劑，鎢面層型殼工藝的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性高、表面污染層小，內(nèi)部質(zhì)量高，適合高質(zhì)量的中型復(fù)雜的鈦合金鑄件。惰性氧化物陶瓷一般采用Zr₂O₃、Y₂O₃、A1₂O₃和CaO等材料，氧化物陶瓷型殼具有較高的高溫強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性，并且收縮率小，所澆注的鑄件通常表面光潔、尺寸精度高、內(nèi)部質(zhì)量高，可應(yīng)用于各類大型、復(fù)雜、薄壁鑄件的鑄造成形。

鈦合金的金屬型鑄造。用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵等。金屬型鑄造一般用于形狀簡單的小型鈦合金鑄件。

2.1.2 改善鑄造鈦合金組織和性能的途徑

鑄造鈦合金組織粗大,易產(chǎn)生縮松、氣孔等鑄造缺陷，影響力學(xué)性能和使用性能。改善鑄造鈦合金組織及性能的主要途徑有熱等靜壓處理、熱化學(xué)處理及熱處理等。熱等靜壓(HIP)處理是將鑄件放入通入惰性氣體的容器中通過加壓及在一定的溫度下保溫，以惰性氣體為壓力傳遞介質(zhì)．消除部分鑄件鑄造缺陷的一種熱處理技術(shù)。熱等靜壓處理消除鑄件缺陷的機(jī)理為，高溫、高壓使鑄件產(chǎn)生蠕變和塑性變形，使鑄件內(nèi)部的氣孔、縮松被壓實(shí)閉合，在高溫下通過原子發(fā)生擴(kuò)散而形成致密的組織。鑄件在熱等靜壓處理時，由于鑄件鑄造過程形成的內(nèi)應(yīng)力會使鑄件組織部分發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶。一定程度的細(xì)化鑄件晶粒。文獻(xiàn)介紹ZTC4鈦合金經(jīng)920℃±10℃ ，壓力120MPa+10MPa，時間1～2h的熱等靜壓處理，能夠改善鑄件的綜合力學(xué)性能。文獻(xiàn)研究了鑄態(tài)TC10合金經(jīng)920℃x2h，壓力120MPa熱等靜壓處理，鑄態(tài)組織中連續(xù)的β相晶界減少，晶內(nèi)針狀次生α集束明顯變?yōu)闂l狀，并變短，晶粒細(xì)化，改善了鑄態(tài)組織。能較大幅度提高TC10合金伸廠率、斷面收縮率和沖擊韌度。

熱化學(xué)處理(TCP)是在一定溫度下，將鑄件放入一定濃度的氫氣容器中進(jìn)行氫化處理，經(jīng)氫化處理后鑄造粗大的魏氏組織會變成細(xì)小的等軸組織 。鑄造鈦合金氫化處理主要包括滲氫、共析處理及真空脫氫三個過程 。根據(jù)氫在鈦合金中溶解過程是可逆的，且溶解度較高，氫的滲入使合金的β轉(zhuǎn)變點(diǎn)顯著降低并出現(xiàn)共析反應(yīng)。通過控制共析反應(yīng)過程使鑄造鈦合金組織細(xì)化。氫處理細(xì)化鈦合金鑄態(tài)組織的機(jī)制為，鑄態(tài)鈦合金鑄件在一定溫度滲氫后，在α與β界面上析出TiH₂相，在較高的固溶溫度下保溫時，滲氫試樣組織為單相β組織，隨后在較低溫度下保溫，會發(fā)生β--->α+TiH₂的共析轉(zhuǎn)變，形成細(xì)小的α+TiH₂共析組織，再經(jīng)真空脫氫后，α+TiH₂組織變?yōu)榈容S的α相，殘余的β相脫氫變?yōu)闊o氫的β相，并趨于球化，組織變?yōu)榧?xì)化的等軸狀α+β組織。文獻(xiàn)研究表明，熱化學(xué)處理可顯著細(xì)化Ti-6Al-4V合金的魏氏組織和Ti-5A1-2.5Fe合金的鍛造組織，能明顯提高合金的屈服強(qiáng)度。

合適的熱處理能夠改善和細(xì)化鑄造鈦合金粗大的組織，提高力學(xué)性能。鑄造鈦合金常用的熱處理主要有退火、淬火回火、循環(huán)熱處理等。目前鑄造鈦合金技術(shù)條件中規(guī)定的熱處理規(guī)范主要為消除應(yīng)力的退火和普通退火，其中普通退火為鑄件交貨規(guī)定的熱處理，消除應(yīng)力退火是鑄件補(bǔ)焊或機(jī)械加工后進(jìn)行的工序。為穩(wěn)定鈦合金組織和性能，鈦合金還可以 采用等溫退火和雙重退火熱處理，雙重退火熱處理采用兩次加熱，第一次加熱溫度較高，低于B轉(zhuǎn)變溫度20～160℃ ，保溫后空冷；第二次加熱溫度較低，低于B轉(zhuǎn)變溫度350,-450℃ ，保溫后空冷。等溫退火在第一次加熱保溫之后，轉(zhuǎn)移到另一個爐中或是在爐中冷卻到第二次加熱的溫度進(jìn)行保溫處理。鈦合金的淬火、回火熱處理主要用于α+β、亞溫β合金、也用于近α鑄造鈦合金。鈦合金β穩(wěn)定元素越多，淬火后亞穩(wěn)定β數(shù)量越多，時效處理強(qiáng)化效果越大。

2.2 鈦合金的鍛造成形

2.2.1 鈦合金鍛造工藝

鈦合金的鍛造主要有自由鍛和模鍛兩大類，根據(jù)鈦合金鍛造時所處組織狀態(tài)不同分為兩相區(qū)鍛造、單相區(qū)鍛造等。兩相區(qū)鍛造是在α+β兩相區(qū)進(jìn)行鍛造操作，根據(jù)鍛造溫度的高低不同可以分為下兩相區(qū)鍛造和上兩相區(qū)鍛造。上兩相區(qū)鍛造是在β／(α+β)相變點(diǎn)以下10-15℃下進(jìn)行鍛造操作，由于鍛造溫度較高，鍛造變形抗力較小。有利于鍛件成形，鍛造后配合淬火回火熱處理，可得到等軸狀、網(wǎng)籃狀的α+β組織。下兩相區(qū)鍛造在B轉(zhuǎn)變溫度以下40～50℃加熱鍛造，冷卻過程中或在一定溫度下保溫會發(fā)生再結(jié)晶，在α+β兩相區(qū)鍛造可得到等軸狀的,α+β組織。鈦合金的單相區(qū)鍛造是在β相區(qū)進(jìn)行鍛造，也稱高溫鍛造，高溫鍛造鍛件的變形抗力低，有利于鍛件成形，鍛件精密度高。β區(qū)鍛造根據(jù)終鍛溫 度不同可分為兩種，一種是在β區(qū)加熱并進(jìn)行終鍛；另一種是在β區(qū)加熱，在β區(qū)開始鍛造，但在α+β兩相區(qū)終止鍛造，也稱之為亞β鍛造，β相區(qū)鍛造一般會得到網(wǎng)籃狀組織。

2.2.2 改善鈦合金塑性成形的途徑

由于鈦合金鍛造溫度范圍較窄，變形抗力與塑性對應(yīng)變速率敏感等特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中改善鈦合金鍛造加工性能的主要途徑有等溫鍛造和超塑性成形等。鈦合金的等溫鍛造是指將模具加熱到與工件保持相同的溫度，以較的低應(yīng)變速率進(jìn)行鍛造成形的一種鍛造方法。等溫鍛造模具及坯料降溫小，成形過程變形抗力小，能鍛出形狀復(fù)雜、精度高的鍛件。等溫鍛造模具要求較高，一般用高溫合金制造模具，費(fèi)用比普通模具高，需要可控的模具加熱系統(tǒng)，模具的潤滑劑要求高，為防止工件和模具氧化，需要真空或惰性氣體保護(hù)。等溫鍛造工藝參數(shù)主要有鍛造溫度、應(yīng)變速率等，在相同的等溫溫度下．應(yīng)變速率較快時，鍛件的顯微組織細(xì)小均勻。在較慢應(yīng)變速率變形時。鍛件組織中初生α相及組織粗大。在相同的應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高．顯微組織中的初生相含量減少。鈦合金等溫鍛造時應(yīng)該合理的選擇變形溫度和應(yīng)變速率。如對TC4鈦合金進(jìn)行等溫模鍛，鍛造的流變形力為常規(guī)鍛造的1/10，坯料加熱溫度950℃ 。模具加熱溫度900~950℃ ，鍛件各項性能指標(biāo)滿足要求 。

改善鈦合金塑性形成形的另一個途徑為超塑性成形。超塑性成形是指多晶體材料在一定條件下。出現(xiàn)異常低的流變應(yīng)力和異常高的流變性能的現(xiàn)象，對于拉伸試驗超塑性拉伸在失效前會出現(xiàn)極高的伸長率， 對于鈦合金超塑性變形伸長率會在450％～ 1000％。鈦合金超塑成形能鍛造形狀復(fù)雜的構(gòu)件。鍛件尺寸精度高，成型后回彈小，尺寸穩(wěn)定性增加，成型件組織均勻。影響鈦合金超塑性的主要因素有合金的晶粒尺寸、變形溫度、應(yīng)變速率、組織狀態(tài)等圜。合金的晶粒尺寸越小，合金的伸長率越大，對超塑形變形有利．細(xì)晶或超細(xì)晶是鈦合金在低溫或高應(yīng)變速率條件下獲得超塑性性能的組織條件，超塑性鈦合金的晶粒尺寸應(yīng)達(dá)到0.5～5m，不超過10 m，組織應(yīng)保持等軸狀 。超塑性成形隨變形溫度的提高，變形應(yīng)力降低，變形材料的最大應(yīng)變敏感系數(shù)m增加，能提高變形的應(yīng)變速率。超塑性成形的變形溫度( )一般在材料熔點(diǎn)( )的0．5倍以上 ，為獲得大的伸長率，超塑性變形的應(yīng)變速率一般在10^-2～10^-4S^-1。α+β兩相組織的鈦合金的超塑性性能要好于單相α鈦及β鈦合金的超塑性，這是因為兩相合金在超塑性加工過程中兩相會相互制約，阻止晶粒的長大，細(xì)晶粒保持時間較長，有利于超塑性變形，因此，鈦合金變形溫度主要選擇α+β兩相區(qū)。如對于TC4鈦合金，在800～940℃下，以應(yīng)變速率2x10^-4S^-1，應(yīng)變敏感系數(shù)(m)在0.6～0.8進(jìn)行拉伸，可獲得700％～1400％的伸長率 。關(guān)于鈦合金超塑性變形的機(jī)理，主要有擴(kuò)散蠕變理論、晶界滑移理論及動態(tài)再結(jié)晶理論等。擴(kuò)散蠕變理論認(rèn)為在應(yīng)力作用下促使變形金屬晶體內(nèi)空位、原子晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界蠕變擴(kuò)散及位錯晶內(nèi)攀移來進(jìn)行超塑性變形。晶界滑移理論認(rèn)為超塑性變形時，伴隨著位錯的蠕變產(chǎn)生晶界滑移．晶界滑移沿晶界位錯的運(yùn)動來協(xié)調(diào)塑性變形過程。動態(tài)再結(jié)晶理論認(rèn)為在高溫變形時，塑性變形過程一邊產(chǎn)生加工硬化．一邊產(chǎn)生再結(jié)晶軟化．動態(tài)再結(jié)晶伴隨著塑性變形的過程。

2.3 鈦合金的焊接成形

鈦合金的焊接方法主要有熔化焊接、固相焊接及其釬焊等。熔化焊焊接的方法主要有鎢極氬弧焊(TIG焊)、熔化電極焊(MIG焊)、等離子弧焊、電子束焊及激光焊等，固相焊接主要有摩擦焊、擴(kuò)散焊等，釬焊主要用于焊接承受載荷不大或在常溫下工作的接頭。

鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG焊)是利用非消耗性電極和工作物之間產(chǎn)生的電弧熱來熔化焊劑進(jìn)行焊接，焊接過程中鎢極不熔化，同時由焊槍的噴嘴送進(jìn)氬氣作為保護(hù)氣體。鎢極氬弧焊缺點(diǎn)是焊速較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大，焊縫中易產(chǎn)生氣孔及夾雜物等缺陷，焊接過程易出現(xiàn)氣體保護(hù)不良而影響焊縫質(zhì)量等。TIG不適合薄板鈦合金的焊接，對于厚板鈦合金可以采用熔化電極焊(MIG)，MIG焊使用熔化電極，熔深較大，外加氣體作為電弧介質(zhì)和保護(hù)介質(zhì)。鈦合金的電子束焊是在真空環(huán)境下．利用高速電子束轟擊工件表面所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接，電子束焊接的優(yōu)點(diǎn)主要是焊縫冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大，焊縫及熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)良，焊接效率高等。文獻(xiàn)研究了TC4鈦合金電子束焊接接頭組織和性能。結(jié)果表明，TC4合金電子束焊接具有良好的焊接性能。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不低于母材。鈦合金的等離子焊是利用等離子弧產(chǎn)生的熱進(jìn)行焊接，一般材料的等離子弧焊。使用氬氣中添加5％～7％氫氣的混合氣體來提高電弧的收縮性，但在焊接鈦及鈦合金時，為了避免產(chǎn)生鈦的氫化物，使用無氫的純氬氣或氬與氦的混合氣體。鈦合金具有良好的摩擦焊接性能，文獻(xiàn)研究了TC4鈦合金摩擦焊接頭的力學(xué)性能及顯微組織。

結(jié)果表明，通過優(yōu)化工藝。TC4鈦合金摩擦焊接頭焊合區(qū)組織為細(xì)密的網(wǎng)籃狀組織，焊合區(qū)與母材過渡區(qū)為雙相組織，可獲得等強(qiáng)度、等韌性甚至超強(qiáng)度、超韌性于母材的摩擦焊接接頭，具有良好的摩擦焊接性。

3 、結(jié)語

鈦合金根據(jù)其化學(xué)成分、成形溫度及其冷卻速度等不同，會形成魏氏組織、網(wǎng)籃狀組織、等軸狀組織、雙態(tài)組織，不同的組織形態(tài)各有不用的力學(xué)性能和使用性能特點(diǎn)。鈦合金的鑄造方法通常有熔模精密鑄造、石墨搗實(shí)型鑄造、石墨型鑄造方法和金屬型鑄方法等，通過熱化學(xué)處理、熱等靜壓及熱處理等可改善鑄造鈦合金的性能。鈦合金鍛造時可通過控制 鍛造溫度及等溫鍛造和超塑性成形改善鈦合金塑性成形性能。鈦及鈦合金的焊接方法主要有熔化焊接、固相焊接等。焊接時通過氣體保護(hù)焊及其真空焊接、控制焊接工藝可獲得良好的焊接性能。

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