钛合金因具有较高的强度、高的比强度、优异的腐蚀抗力及耐蚀性、较宽的工作温度范围及耐热性高等特点而广泛应用在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器和电子等领域。由于钛合金的化学活性高，热加工过程易产生氧化，影响加工性能，再加之钛合金的屈强比(R_m／R_p)较高，加工成形时易产生裂纹，而且由于屈服强度对弹性模量的比值较高，使零件成形困难。因此了解钛合金的组织和性能特点及加工成形工艺方法和特点．对钛合金的加工具有重要意义。鉴于此，本文介绍了钛合金的组织、性能特点及加工工艺和改善加工性能的途径，为钛合金组织设计奠定基础。

1、 钛合金的性能及组织特点

钛合金具有较高的强度。其抗拉强度686～1176MPa，而密度α为钢的60％左右，比强度高于铝合金及高合金钢。钛合金的熔点较高，被列为高温合金，新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃。钛合金是低温容器的理想材料，在低温下， α钛合金可在20K的低温下使用 。在空气中或含氧的介质中，钛表面生成的氧化膜其致密度覆盖系数大于1，氧化膜致密、连续，附著力强，保护钛基体不被腐蚀。根据合金元素对钛合金组织的影响，将钛合金分为α钛合金、α+β钛合金及β钛合金三大类。α钛合金具有密排六方晶格结构，具有良好的抗蠕变性能，热强性及抗氧化性强、良好的焊接性及耐蚀性，但塑性较低，变形抗力大，热加工性能较差，不能热处理强化。β钛合金为体心立方晶格结构，具有良好的强度韧性和较高的热成形性，可热处理强化，是超高强度钛合金的组织嗍。(α+β)钛合金具有α钛和β钛合金的特点。在实际生产中，钛合金根据其化学成分、成形温度及热处理冷却速度等不同会形成魏氏组织、网篮状组织、等轴状组织、双态组织等。

钛合金中的魏氏组织为粗大的原始β晶粒，β晶界面上有连续分布的α相，β晶粒内为多种取向的片状的α+β板条束。两相钛合金变形终止温度在β区，变形量不大时容易形成魏氏组织，在β相区退火，也会形成魏氏组织，魏氏组织中α+β板条的粗细与冷却速度有关，冷速较快时板条束较细。研究表明旧，魏氏组织的钛合金断裂韧性、蠕变抗力、持久强度高，塑性、抗疲劳性能低，热稳定性差。网篮状组织的形成是在(α+β)／β相变点附近变形，或在β相区开始变形，而在α+β相区终止变形，变形量较大时，使原始β晶粒及晶界α破碎，冷却后仪束的尺寸减小，α条变短，且各丛交错排列，犹如编织网篮的形状，称为网篮组织。具有网篮组织的钛合金其塑性、蠕变抗力和高温持久等综合性能好，断裂韧性 瑚。在实际应用中，网篮组织钛合金可用于长期高温受力的部件。钛合金的等轴状组织是在α+β相区热加工时，温度较高，在变形过程中，α相和β相发生再结晶，获得等轴状的α+β组织。若变形温度低，再结晶不发生或部分发生，随后进行再结晶退火，也可得到等轴组织。组织的等轴程度与变形程度、加热温度和保温时间有关。等轴状α+β组织的钛合金低周疲劳性能和拉伸强度较高。双态组织是α+β钛合金在两相区较高的温度变形，组织中的α相会形成等轴状或片状，冷却后会形成双态组织，组织中的等轴状是初生α，片状α是β转变组织获得。双态组织和等轴组织的性能特征大致相同．具有较高的疲劳强度和塑性[15]。

2 、钛合金的加工工艺研究进展

2.1 钛合金的铸造成形

2.1.1熔铸及铸造方法

室温下钛比较稳定。在大气下熔铸钛合金会急剧氧化和氮化，形成大量夹杂物，影响铸件的成形。因此，钛合金熔炼要在真空或惰性气氛保护下熔炼。目前，铸造钛合金熔炼设备主要有真空自耗电弧凝壳炉、真空非自耗电弧凝壳炉、电子束凝壳炉、冷壁坩埚感应炉和等离子凝壳炉等。采用”凝壳“柑锅，熔炼时可在坩埚壁上形成一层一定厚度的钛合金凝固壳体。这层导热性较差的壳，可保护钛熔池不受污染。钛合金的铸造方法主要有熔模精密铸造、石墨捣实型铸造、石墨型铸造、金属型铸造等方法旧。钛合金液在熔融状态下化学活性很强，能与很多耐火材料发生化学反应，因此钢、铁等非铁合金铸造常用的造型材料和粘结剂都不适用钛合金的铸造。钛合金铸造的造型材料主要有石墨、难熔金属粉、惰性氧化物型和金属等。石墨材料造型主要有机加工石墨型、石墨砂的捣实型和熔模石墨型。钛合金熔模精密铸造的方法主要有石墨熔模铸造、难溶金属面层和惰性氧化物面层陶瓷型铸造。石墨熔模铸造是采用石墨粉作为耐火材料．制壳涂料是由石墨粉、粘结剂、表面活性剂和溶剂配制而成的，常用的粘结剂有合成树脂和胶体石墨。难溶金属面层型壳材料主要采用的是钨粉，并以金属有机化合物或胶体金属氧化物作粘结剂，钨面层型壳工艺的优点是化学稳定性高、表面污染层小，内部质量高，适合高质量的中型复杂的钛合金铸件。惰性氧化物陶瓷一般采用Zr₂O₃、Y₂O₃、A1₂O₃和CaO等材料，氧化物陶瓷型壳具有较高的高温强度和高温稳定性，并且收缩率小，所浇注的铸件通常表面光洁、尺寸精度高、内部质量高，可应用于各类大型、复杂、薄壁铸件的铸造成形。

钛合金的金属型铸造。用作铸型的金属材料主要有铜、钢、铸铁等。金属型铸造一般用于形状简单的小型钛合金铸件。

2.1.2 改善铸造钛合金组织和性能的途径

铸造钛合金组织粗大,易产生缩松、气孔等铸造缺陷，影响力学性能和使用性能。改善铸造钛合金组织及性能的主要途径有热等静压处理、热化学处理及热处理等。热等静压(HIP)处理是将铸件放入通入惰性气体的容器中通过加压及在一定的温度下保温，以惰性气体为压力传递介质．消除部分铸件铸造缺陷的一种热处理技术。热等静压处理消除铸件缺陷的机理为，高温、高压使铸件产生蠕变和塑性变形，使铸件内部的气孔、缩松被压实闭合，在高温下通过原子发生扩散而形成致密的组织。铸件在热等静压处理时，由于铸件铸造过程形成的内应力会使铸件组织部分发生回复与再结晶。一定程度的细化铸件晶粒。文献介绍ZTC4钛合金经920℃±10℃ ，压力120MPa+10MPa，时间1～2h的热等静压处理，能够改善铸件的综合力学性能。文献研究了铸态TC10合金经920℃x2h，压力120MPa热等静压处理，铸态组织中连续的β相晶界减少，晶内针状次生α集束明显变为条状，并变短，晶粒细化，改善了铸态组织。能较大幅度提高TC10合金伸厂率、断面收缩率和冲击韧度。

热化学处理(TCP)是在一定温度下，将铸件放入一定浓度的氢气容器中进行氢化处理，经氢化处理后铸造粗大的魏氏组织会变成细小的等轴组织 。铸造钛合金氢化处理主要包括渗氢、共析处理及真空脱氢三个过程 。根据氢在钛合金中溶解过程是可逆的，且溶解度较高，氢的渗入使合金的β转变点显著降低并出现共析反应。通过控制共析反应过程使铸造钛合金组织细化。氢处理细化钛合金铸态组织的机制为，铸态钛合金铸件在一定温度渗氢后，在α与β界面上析出TiH₂相，在较高的固溶温度下保温时，渗氢试样组织为单相β组织，随后在较低温度下保温，会发生β--->α+TiH₂的共析转变，形成细小的α+TiH₂共析组织，再经真空脱氢后，α+TiH₂组织变为等轴的α相，残余的β相脱氢变为无氢的β相，并趋于球化，组织变为细化的等轴状α+β组织。文献研究表明，热化学处理可显著细化Ti-6Al-4V合金的魏氏组织和Ti-5A1-2.5Fe合金的锻造组织，能明显提高合金的屈服强度。

合适的热处理能够改善和细化铸造钛合金粗大的组织，提高力学性能。铸造钛合金常用的热处理主要有退火、淬火回火、循环热处理等。目前铸造钛合金技术条件中规定的热处理规范主要为消除应力的退火和普通退火，其中普通退火为铸件交货规定的热处理，消除应力退火是铸件补焊或机械加工后进行的工序。为稳定钛合金组织和性能，钛合金还可以 采用等温退火和双重退火热处理，双重退火热处理采用两次加热，第一次加热温度较高，低于B转变温度20～160℃ ，保温后空冷；第二次加热温度较低，低于B转变温度350,-450℃ ，保温后空冷。等温退火在第一次加热保温之后，转移到另一个炉中或是在炉中冷却到第二次加热的温度进行保温处理。钛合金的淬火、回火热处理主要用于α+β、亚温β合金、也用于近α铸造钛合金。钛合金β稳定元素越多，淬火后亚稳定β数量越多，时效处理强化效果越大。

2.2 钛合金的锻造成形

2.2.1 钛合金锻造工艺

钛合金的锻造主要有自由锻和模锻两大类，根据钛合金锻造时所处组织状态不同分为两相区锻造、单相区锻造等。两相区锻造是在α+β两相区进行锻造操作，根据锻造温度的高低不同可以分为下两相区锻造和上两相区锻造。上两相区锻造是在β／(α+β)相变点以下10-15℃下进行锻造操作，由于锻造温度较高，锻造变形抗力较小。有利于锻件成形，锻造后配合淬火回火热处理，可得到等轴状、网篮状的α+β组织。下两相区锻造在B转变温度以下40～50℃加热锻造，冷却过程中或在一定温度下保温会发生再结晶，在α+β两相区锻造可得到等轴状的,α+β组织。钛合金的单相区锻造是在β相区进行锻造，也称高温锻造，高温锻造锻件的变形抗力低，有利于锻件成形，锻件精密度高。β区锻造根据终锻温 度不同可分为两种，一种是在β区加热并进行终锻；另一种是在β区加热，在β区开始锻造，但在α+β两相区终止锻造，也称之为亚β锻造，β相区锻造一般会得到网篮状组织。

2.2.2 改善钛合金塑性成形的途径

由于钛合金锻造温度范围较窄，变形抗力与塑性对应变速率敏感等特点，实际生产中改善钛合金锻造加工性能的主要途径有等温锻造和超塑性成形等。钛合金的等温锻造是指将模具加热到与工件保持相同的温度，以较的低应变速率进行锻造成形的一种锻造方法。等温锻造模具及坯料降温小，成形过程变形抗力小，能锻出形状复杂、精度高的锻件。等温锻造模具要求较高，一般用高温合金制造模具，费用比普通模具高，需要可控的模具加热系统，模具的润滑剂要求高，为防止工件和模具氧化，需要真空或惰性气体保护。等温锻造工艺参数主要有锻造温度、应变速率等，在相同的等温温度下．应变速率较快时，锻件的显微组织细小均匀。在较慢应变速率变形时。锻件组织中初生α相及组织粗大。在相同的应变速率下，随着变形温度的升高．显微组织中的初生相含量减少。钛合金等温锻造时应该合理的选择变形温度和应变速率。如对TC4钛合金进行等温模锻，锻造的流变形力为常规锻造的1/10，坯料加热温度950℃ 。模具加热温度900~950℃ ，锻件各项性能指标满足要求 。

改善钛合金塑性形成形的另一个途径为超塑性成形。超塑性成形是指多晶体材料在一定条件下。出现异常低的流变应力和异常高的流变性能的现象，对于拉伸试验超塑性拉伸在失效前会出现极高的伸长率， 对于钛合金超塑性变形伸长率会在450％～ 1000％。钛合金超塑成形能锻造形状复杂的构件。锻件尺寸精度高，成型后回弹小，尺寸稳定性增加，成型件组织均匀。影响钛合金超塑性的主要因素有合金的晶粒尺寸、变形温度、应变速率、组织状态等圜。合金的晶粒尺寸越小，合金的伸长率越大，对超塑形变形有利．细晶或超细晶是钛合金在低温或高应变速率条件下获得超塑性性能的组织条件，超塑性钛合金的晶粒尺寸应达到0.5～5m，不超过10 m，组织应保持等轴状 。超塑性成形随变形温度的提高，变形应力降低，变形材料的最大应变敏感系数m增加，能提高变形的应变速率。超塑性成形的变形温度( )一般在材料熔点( )的0．5倍以上 ，为获得大的伸长率，超塑性变形的应变速率一般在10^-2～10^-4S^-1。α+β两相组织的钛合金的超塑性性能要好于单相α钛及β钛合金的超塑性，这是因为两相合金在超塑性加工过程中两相会相互制约，阻止晶粒的长大，细晶粒保持时间较长，有利于超塑性变形，因此，钛合金变形温度主要选择α+β两相区。如对于TC4钛合金，在800～940℃下，以应变速率2x10^-4S^-1，应变敏感系数(m)在0.6～0.8进行拉伸，可获得700％～1400％的伸长率 。关于钛合金超塑性变形的机理，主要有扩散蠕变理论、晶界滑移理论及动态再结晶理论等。扩散蠕变理论认为在应力作用下促使变形金属晶体内空位、原子晶内扩散、晶界蠕变扩散及位错晶内攀移来进行超塑性变形。晶界滑移理论认为超塑性变形时，伴随着位错的蠕变产生晶界滑移．晶界滑移沿晶界位错的运动来协调塑性变形过程。动态再结晶理论认为在高温变形时，塑性变形过程一边产生加工硬化．一边产生再结晶软化．动态再结晶伴随着塑性变形的过程。

2.3 钛合金的焊接成形

钛合金的焊接方法主要有熔化焊接、固相焊接及其钎焊等。熔化焊焊接的方法主要有钨极氩弧焊(TIG焊)、熔化电极焊(MIG焊)、等离子弧焊、电子束焊及激光焊等，固相焊接主要有摩擦焊、扩散焊等，钎焊主要用于焊接承受载荷不大或在常温下工作的接头。

钨极惰性气体保护焊(TIG焊)是利用非消耗性电极和工作物之间产生的电弧热来熔化焊剂进行焊接，焊接过程中钨极不熔化，同时由焊枪的喷嘴送进氩气作为保护气体。钨极氩弧焊缺点是焊速较慢、焊件变形较大、焊缝组织较粗大，焊缝中易产生气孔及夹杂物等缺陷，焊接过程易出现气体保护不良而影响焊缝质量等。TIG不适合薄板钛合金的焊接，对于厚板钛合金可以采用熔化电极焊(MIG)，MIG焊使用熔化电极，熔深较大，外加气体作为电弧介质和保护介质。钛合金的电子束焊是在真空环境下．利用高速电子束轰击工件表面所产生的热能进行焊接，电子束焊接的优点主要是焊缝冶金质量好、焊缝窄、深宽比大，焊缝及热影响区晶粒细小，焊接接头力学性能优良，焊接效率高等。文献研究了TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能。结果表明，TC4合金电子束焊接具有良好的焊接性能。焊接接头的抗拉强度不低于母材。钛合金的等离子焊是利用等离子弧产生的热进行焊接，一般材料的等离子弧焊。使用氩气中添加5％～7％氢气的混合气体来提高电弧的收缩性，但在焊接钛及钛合金时，为了避免产生钛的氢化物，使用无氢的纯氩气或氩与氦的混合气体。钛合金具有良好的摩擦焊接性能，文献研究了TC4钛合金摩擦焊接头的力学性能及显微组织。

结果表明，通过优化工艺。TC4钛合金摩擦焊接头焊合区组织为细密的网篮状组织，焊合区与母材过渡区为双相组织，可获得等强度、等韧性甚至超强度、超韧性于母材的摩擦焊接接头，具有良好的摩擦焊接性。

3 、结语

钛合金根据其化学成分、成形温度及其冷却速度等不同，会形成魏氏组织、网篮状组织、等轴状组织、双态组织，不同的组织形态各有不用的力学性能和使用性能特点。钛合金的铸造方法通常有熔模精密铸造、石墨捣实型铸造、石墨型铸造方法和金属型铸方法等，通过热化学处理、热等静压及热处理等可改善铸造钛合金的性能。钛合金锻造时可通过控制 锻造温度及等温锻造和超塑性成形改善钛合金塑性成形性能。钛及钛合金的焊接方法主要有熔化焊接、固相焊接等。焊接时通过气体保护焊及其真空焊接、控制焊接工艺可获得良好的焊接性能。

参考文献：

【1】Boyer R R．An overview on the use of titanium in the aerospaceindustry[J]．Mater Sci Eng 1996，A213(1-2)：10—114．

【2】张喜燕，赵永庆，白晨光．钛合金及应用[M]，北京：化学工业出版社．2005．

【3】李文平．钛合金的应用现状及发展前景[J]．轻金属，2002(5)：53-5 5． 

【4】訾群．钛合金研究新进展及应用现状[J]．钛工业进展，2008，25(2)：23-27．

【5】邓肯RM，汉森BH．钛的应用与选择[M】．北京：冶金工业出版社．1988

【6】萧今声，许国栋．提高高温钛合金性能的途径[J]．中国有色金属学报，1997，7(4)：97-104．

【7】刘伟，杜宇．低温钛合金的研究现状[J]_稀有金属快报，2007，26(9)：6—10．

【8】 葛鹏，赵永庆，周廉．p钛合金的强化机理[J]．材料导报，2005，19(12)：52-55．

【9】王永哲，张晓冬，张鹏，等．轧制变形量对TC4钛合金棒材组织及力学性能的影响[J】．钛工业进展，2013，30(6)：22—25．

【10】李晓芹．锻造加热温度对TC1l合金组织性能的影响【J】．热加工工艺，1999，28(3)：30—32．

【11】陈学伟，张士宏，王忠堂．热处理工艺对TC11钛合金组织及性能的影响【J】金属热处理，2007，32(10)：48—51．

【12】蔡建明，李臻熙，马济民．航空发动机用高温钦合金的研究与发展【J]．材料导报，2005，19(1)：50—53．

【13】张宝昌．有色金属及其热处理【M]．西安：西北工业大学出版社，1993．

【14】C．莱茵斯，M．皮特尔斯．钛与钛合~r EM]．北京：化学工业出版社．2005．

【15】张庆玲，李兴无．TA15钛合金两类组织对疲劳性能和断裂韧度的影响[J]．材料工程，2007(7)：3-5．

【16】程荆卫．钛合金熔炼技术及理论研究现状[J]．特种铸造及有色合金，2001(2)：69-71．

【17】胡桂珍，邬彦如．钛及钛合金的铸造【J]_稀有金属材料与工程，1999，24(3)：26-30．

【18】燕战秋．精密铸件的热等静压处理【J]．特种铸造及有色合金，1985(4)：1-7．

【19】赵嘉琪，杨伟光，南海，等．热等静压处理对ZT4钛合金精铸件组织与性能的影响【J】．材料工程，2011(10)：42—46．

【20】王晓林，王兰芳，朱仲忍，等．热等静压处理对TC10合金铸造组织与性能的影响叨．特种铸造及其有色合金，2011，3l(8)：760．761．

【21】韩明臣．钛合金的热氢处理[J]．宇航材料工艺，1999(1)：23．27．

【22】谢成木．先进的铸造钛合金及其发展趋向[J]．材料导报，1993(3)：27-30．

【23】宫波，赖祖涵．用热化学处理改善 +β型钛合金的组织和力学性能【J]．中国有色金属学报，1994，4(3)：86-~89．

【24】吴伏家，尹晓霞．钛合金复杂件等温锻造研究[J]．机械科学与技术，2010，29(3)：285．288．

【25】席兵，巨建辉，舒滢．钛合金超塑性的影响因素研究【J]．热加工工艺，2013，42(10)：100-102．

【26】吴诗惇．金属超塑性变形理论[M】．北京：国防工业出版社，1997．

【27】王旭．国外钛合金超塑性成形应用现状及发展趋势[J]．航天工艺，1989(4)：20-25．

【28】唐普放．Ti一6AI一4V超塑性能及应用[J】．钛工业进展，1998(4)：20．24．

【29】林兆荣．金属超塑性成形原理及应用【M]．北京：航空工业出版社．1990．

【30】戚运莲，洪权，刘向，等．钛及钛合金的焊接技术[J】．钛工业进展，2004，21(6)：25—28．

【31】王骥腾，王娟，李亚江．钛合金的焊接研究进展[J]．现代焊接，2013(8)：17·21．

【32】许鸿吉，尹丽香。李晋炜．TC4钛合金电子束焊接接头组织和性能【J]．焊接学报，2005，26(11)：43—46．

【33】刘小文，史永高，毛信孚，等．TC4钛合金摩擦焊接头的力学性能及显微组织[J]．焊接学报，2001，22(6)：77—80．

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