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　　固溶处理对TC11钛合金硬度的影响在固溶温度为950℃，固溶时间为120ｍｉｎ时，显微组织由大部分的等轴α相、小部分细小的片状α相和粗大的块状α相以及少部分的β相组成，此时所测得的硬度值高，TC11钛合金在该热处理制度下的综合性能也相对较好。当固溶时间一定时，TC11钛合金硬度随着温度的升高呈现出先下降然后逐渐趋于稳定的趋势。

　　TC11钛合金属于高Al当量马氏体型α+β钛合金，该合金具有的高温强度，热稳定性及抗蠕变性能，被广泛应用于航空航天领域。TC11钛合金作为重要的航空和宇航材料，主要用于制造服役温度在500℃以下的航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒等零件及飞机结构件等。随着航空航天技术的飞速发展，对这些关键部件用钛合金的性能要求越来越高，要求其具有更加的综合性能。而钛合金的综合性能与其的组织形态、相的比例、晶粒的大小及分布情况密切相关。目前，锻造是钛材热加工中常用且有效的加工方法。不仅可以直接锻造成工件的形状，还可以优化其微观组织，改善其力学性能。但是，锻造存在遗传性，会造成成品棒材、饼材、环锻件等组织不均匀问题，尤其是大型的饼、环锻件。为此，我们采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材，该变形方式可以使原始坯料中的铸态晶粒得到充分破碎和再结晶，从而消除了成品中出现的金相缺陷。同时，研究热处理工艺对大规格环材组织、力学性能的影响，从而确定化的热加工工艺。实验材料及方法本文实验所用材料为TC11钛合金铸锭，采用3次VAR熔炼，锭型φ700mm，其主要化学成分:Al:6.7%，Mo:3.3%，Zr:1.8%，Si:0.3%，其余为Ti。经金相法测定其相变点为1016℃，铸锭经β相区开坯锻造，α+β相区环坯锻造、冲孔，扩孔成形锻造制得成品规格为φ830mm/φ520mm×220mm。在环材高度方向上截取试样环进行热处理实验，热处理在箱式电阻炉中进行，其方案见表1。表1热处理工艺为研究环材组织和力学性能的均匀性，将大规格环材按优化出的热处理工艺制度进行整体热处理后，沿厚度方向分为外表层、1/2层和内表层，沿高度方向分为上表面、H/4、H/2、3H/4和下表面（H为环材高度），共15个位置，进行室温拉伸性能检测，考核其力学性能的均匀性，观察不同方向的显微组织，考核其组织的均匀性。图1不同固溶温度下TC11合金环材的显微组织实验结果与分析⑴固溶温度对TC11钛合金环材组织的影响。图1为TC11钛合金环材经过950℃～990℃固溶处理+530℃时效处理6小时后的显微组织。在不同固溶温度+时效处理后，TC11环材显微组织是由等轴初生α相和β转变组织组成，β转变组织上分布着细小的针状和短棒状次生α相。随着固溶温度由950℃升高到990℃，等轴初生α相含量逐渐减少，由950℃时的50%逐渐递减至990℃时的10%，且初生α相晶粒尺寸逐渐增大。同时，随着固溶温度的升高，针状次生α相含量逐渐增加且变得更加细小弥散。同时，伴随着部分初生α相的逐渐溶解，未转变的β相基体含量的饱和度增大，为次生α相的析出增大了驱动力，促使次生α相的含量逐渐增多且细小而弥散。⑵固溶温度对TC11钛合金环材力学性能的影响。TC11钛合金环材经过不同固溶温度处理后的力学性能如图2所示。图2不同固溶温度下TC11合金环材的力学性能随着固溶温度由950℃升高到990℃，TC11合金的强度先升高后降低，970℃达到峰值，塑性先降低后升高，970℃时为低谷，相比强度的变化，塑性变化趋势较缓。在室温下，起主要强化作用的是位错，随着固溶温度升高，提供的相变驱动力促使次生α相的析出，在塑性变形时，弥散的α相周围产生的应力场阻碍了位错运动，同时α和β相的界面产生弥散强化，使强度大幅提高；随着固溶温度950℃升高到970℃，其塑性变化不明显，断面收缩率和锻后伸长率略有降低。随着固溶温度升高到980℃，初生α相含量骤减，且初生α相长大，导致两相间相界面较少，对位错的阻碍作用减弱，从而使强度下降，塑性变化略有提高，由此可知，在970℃固溶时，TC11钛合金的强韧性匹配。冷却速度对TC11钛合金环材性能的影响TC11钛合金经970℃固溶处理后，不同冷却速度的力学性能见表2。由表2可以知，固溶后采用水冷比空冷抗拉强度高260MPa，屈服强度高约220MPa，同时水冷的塑性骤降。图3为TC11钛合金970℃固溶处理后水冷的SEM组织，由图3可知，水冷时，高温固溶处理时大量的亚稳定β相被固定下来，在随后的低温时效过程中，较多的次生α相从亚稳定β相分解出来，并交叉排列在β转变基体上。由于冷却速度快，过冷度大，再结晶晶粒来不及长大，同时引起了晶格畸变，促使在时效过程中，大量细小、无方向性的针状α相从亚稳定β转变相中析出。这些大量的细小次生α相，交错排列，相界面阻碍了滑移的进行，从而使合金变形困难，因此，片状β转变组织越多，强度越高，塑性越差。表2不同冷却速度下的TC11钛合金力学性能图3水冷后TC11合金环材的SEM组织TC11钛合金环材性能均匀性研究为提高合金的使用稳定性、性能的稳定性，在实际生产应用中，TC11钛合金大型饼材、环锻件均是在热处理状态下服役。研究热处理工艺对TC11钛合金组织和性能的影响，得出的热处理制度为970℃/保温2hAC+530℃/6hAC。将文中大规格环材φ830mm/φ520mm×220mm按照此热处理制度整体热处理后，研究其组织和性能的均匀性。图4为TC11环材沿壁厚和高度方向不同位置的显微组织，由图4可知，采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材，环材在高度方向以及厚度方向的组织均为双态组织，且组织均匀分布，等轴初生α相晶粒尺寸大小均匀分布。对比图4和图1中(c），均为970℃/保温2hAC+530℃/6hAC处理后的组织，发现图1(c）中初生α相含量比图4中少，而次生α相略多于图4。图5为TC11钛合金环材不同位置的力学性能，由图5可知，该环材在径向和厚度方向的力学性能均匀性良好，抗拉强度Rm的差值为15MPa，屈服强度Rp0.2的差值为18MPa，断后伸长率A的差值为4.5%，断面收缩率Z的差值为12%。对比图5和表2，相同固溶时效处理后，试样热处理比环材整体热处理性能高出约80MPa，塑性变化不大。在实际生产过程中，可以通过加快环材在空气中冷却速率而提高其强度。结论⑴TC11钛合金随着固溶温度的升高，初生α相含量逐渐减少，且初生α相晶粒尺寸逐渐增大，次生α相含量逐渐增多。室温强度随着固溶温度的升高先升高后降低，同时塑性变化幅度不大。图4TC11合金环材不同位置的显微组织TC11钛合金大规格环材的组织与性能研究⑵随着冷却速率的加快，TC11钛合金强度增大，塑性骤降。⑶采用多火次镦拔换向锻造的TC11大规格环材的组织和力学性能均匀性良好。在970℃/2hAC+530℃/6hAC固溶时效后，环材具有稳定的强塑性。作者简介张雪敏，硕士研究生，工程师，主要从事钛及钛合金塑性变形原理，锻造及热处理工艺研究

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　　TC4疏松多孔的氧化皮结构促进氧传质，加速氧化，不仅使TC4氧化皮粗糙，而且使TC4氧化皮明显厚于TA1氧化皮。(2)TA1和TC4的富氧层厚度分别为5 μm和60 μm。TC4氧化皮的多孔结构促使TC4产生比TA1更厚的富氧层。

　　(3)硬化层厚度与富氧层厚度基本一致，说明富氧层中氧原子间隙的固溶强化作用促进了硬化层的生成。

　　钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为:密度ρ=4.5g/立方厘米，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

　　在电影《钢铁侠》中有一个情节是，托尼在第二代战甲试飞过程中，挑战盔甲战衣强度，一直飞向天空，但是上升到一定高度后，全身结冰的问题突出明显，战甲表面开始结冰，而且电力系统也出现问题，托尼从高空降下后才慢慢恢复。为了防止钢铁盔甲结冰，第三代钢铁侠战甲就用了钛合金，这其实是有科学依据的。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。有些钛合金在零下253度仍有一定塑性，飞行器飞到地球大气最冷的大气中间层(距离地面50 km～85 km)温度也只有零下八十到零下一百一十的温度，所以钛合金是制造飞行器最好的选择。

　　在现实中，能飞出大汽层的可能只有火箭了。但这并不代表钛合金只能应用在航天航空行业中。钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高，在工业中有很多特定的环境和空间需要用到钛合金制造的零配件。

　　钛合金加工是一个复杂且专业性很强的过程，涉及到多种技术和工艺，以确保材料的高性能和加工的经济性。加工钛合金时，还需注意控制加工环境，避免材料吸氧、氢和氮，导致性能下降。此外，选择合适的加工参数和刀具路径，以及进行必要的中间退火，都是保证加工质量和效率的关键。钛合金加工制造的英文是 "Titanium Alloy Parts Manufacturing"。德文是 "Herstellung von Titanlegierungsbauteilen"。俄文是 "Производство деталей из титановых сплавов"。

　　钛合金的加工性能和最终的力学性能很大程度上取决于其微观组织结构。热处理，包括退火、时效处理和定向再结晶等，被用来优化钛合金的微观结构，从而提升其机械性能和加工性。例如，退火可以消除加工硬化，恢复材料的塑性，而时效处理则可以强化材料。机械加工技术: 切削:钛合金切削时，由于其硬度较高和导热性差，需要采用硬质合金刀具，特别是钨钴类硬质合金，因为它们与钛的化学亲和力小，导热性相对较好。切削过程中，采用较小的前角和较大的后角，以及圆弧过渡刃，可以减少刀具磨损和提高加工质量。 磨削、铣削、钻削、镗孔、攻丝:这些加工方法同样需要选择合适的刀具材料和加工参数，以防止刀具过早磨损和工件变形。

　　电火花加工（EDM）和线切割适用于加工硬质材料的复杂形状，尤其在需要极高精度时。 焊接技术:钛合金焊接时，因为其高熔点和化学活性，容易产生气孔和富集效应，因此常采用TIG（钨极惰性气体保护焊）、激光焊和等离子弧焊等高能密度焊接方法，并在保护性气氛下进行，以减少污染。 表面处理技术:为了提高钛合金的耐磨性、耐蚀性等，会采用表面处理技术，如化学转化膜处理、喷砂、电镀、离子渗镀、等离子喷涂等。

　　锻造和轧制:热锻和热轧是将钛合金坯料在高温下变形，以形成所需形状和尺寸，冷轧则是在室温或接近室温下进行，适用于需要高精度尺寸和表面质量的产品。

　　在IMI829钛合金基础上开发的英国IMI834合金，短时服役温度可达650 ℃，其特点是添加质量分数0.06%的C，在α+β两相区经热处理后得到双态组织。经固溶和时效热处理后，白初生α相含量随着固溶温度的增大而减少，经时效处理合金中除初生α相外的β转变组织由次生α相组成，且次生α相形貌变化不大。IMI834钛合金棒材的佳热处理工艺为(1005～1025 ℃)×2 h+水淬+(750～800 ℃)×2 h+空冷，合金的高温蠕变伸长率和持久值分别提高到0.147%和127 MPa，这主要与空冷过程中形成的细长次生α相有关。由于组织中还存在少量等轴初生α相，对合金有强化作用，与同类钛合金相比具有明显优势。目前已用于空客A330遄达700发动机的轮盘、鼓筒及后轴，采用一体式焊接，能使发动机重量减轻。

　　７）电电位与碳纤维复合材料相匹配。在紧固件上，钛合金用量十分巨大的重要原因就是钛合金电电位与碳纤维复合材料电电位相匹配，有效阻止了电偶腐蚀现象的出现。８）此外，钛合金还具有的耐蚀性、较高的蠕变抗力等优点。

　　１、 紧固件用钛合金材料及性能概况

　　紧固件用钛合金材料与紧固件的制造工艺和用途密切相关。一方面，钛合金紧固件的制造工艺主要包括３部分:首先，塑性变形，例如顶镦、减径和滚螺纹等；其次，表面强化，例如螺栓承力面与直杆过渡区的强化等；，机械加工，例如车、铣和磨等。另一方面，紧固件的用途不同，所需材料的性能要求也不同，这就需要使用不同的钛合金材料。以铆钉和螺栓为例，铆钉在安装过程中需要一端或者两端镦头，所以铆接过程对材料的塑性要求较高。螺栓一般要求具有较高的强度，其强度水平 与３０ＣｒＭｎＳｉＡ高强度合金钢接近，所以通常采用高强钛合金材料。综合以上两方面的因素，紧固件用钛合金材料也主要分为工业纯钛、（α＋β）型和β型钛合金三类，具体见表２。由表２可知，工业纯钛主要是 ＴＡ１和 ＴＡ２。（α＋β）型钛合金主要包括 ＴＣ４，ＴＣ６和 Ｔｉ－６６２等。β型钛合金以亚稳定β型钛合金为主，这是因为亚稳定β型钛合金钼当量一般在１０％左右。钼当量小于１０％的近β型钛合金热处理强化效果不足；钼当量大于１０％的稳定β型钛合金在时效热处理过程中，β相稳定性会较高，分解，所以亚稳定β型钛合金材料的强化。此外，亚稳定β型钛合金具有的冷成形性，可以进行冷镦，避免采用的加热设备和气体保护介质，生产效率和材料利用率高，成形后的紧固件尺寸精度高、表面质量好。而（α＋β）型钛合金紧固件只能采用热镦成形，需要专门的加热设备和气体介质，生产效率和材料利用率低，也容易出现加热温度不均匀的现象。

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　　3)TC4合金在磨削过程中容易燃烧。波纹和变形。建议使用绿碳化硅磨轮。该磨料具有良好的磨削性能，与刚玉及其混合磨料相比，具有较大的金属去除量和较小的功耗。使用中等松散的磨轮有利于降低磨轮区域的温度。磨削液好选用水切削液。使用建议TC4。推荐使用TC4钛合金制造机身.机翼结构中的各种梁.接头.隔断框架.航空发动机风扇和压缩机中的盘子和叶片。用TC4钛合金代替30crmsia等结构钢，可使零件重量减轻30%左右。以上介绍了TC4材料，每天更新合金信息，欢迎您的建议和交流。