不同熱處理下鈦合金Ti—Cu—Fe—Ni性能研究

丁佳偉

摘要：研究不同熱處理下Ti-Cu-Fe-Ni鈦合金的組織結構性能。實驗SEM結果表明，Ti-Cu-Fe-Ni合金在直接時效處理條件下結合較為均勻緊密，而預先30分鐘固溶處理再時效處理后明顯形成了網籃組織，其力學及蠕變性能提升最明顯。

關鍵詞：熱處理;鈦合金;組織結構;網籃組織

1.鈦及其合金的性質與應用

鈦是一種化學性質穩定的金屬，金屬材料領域圍繞這種金屬展開的研究很多。首先單金屬鈦方面就有學者合成出納米結構鈦，如納米鈦溶膠，被廣泛應用于陶瓷、塑料、涂料、化妝品等行業[1]。還有學者通過刻蝕等工藝制備出多孔鈦材料，被應用于化學催化領域，作為催化劑使用過程中，發現鈦材料具有很高的使用壽命及安全可靠性。近來，鈦合金成為了研究熱點，因為不同金屬結合的合金具備每種金屬自身的優勢：如使熔點降低，便于鑄造成型，增加某些特殊性能，合金的硬度大于其組成的金屬等。

鈦合金主要分為α型、α+β型和β型三大類。鈦合金具有高強度、優異的力學性能、耐腐蝕、耐熱、均勻性高、力學性能達標，被廣泛應用于飛機發動機壓氣機零部件。超高強度鈦合金在航天飛機中的應用概率越來越高，成為衡量戰斗機先進性的一個重要標準[2]。進一步提高鈦合金的比強度，對于減輕飛機重量有重大的戰略意義，是未來航天發展的方向。

單金屬鈦或者二元鈦合金使用成本較高，經濟效益低，因此在人民生活領域的推廣受到限制，目前僅僅在軍事航空領域應用比較廣泛。隨著研究的深入，人們根據具體的設計和使用性能要求，在充分考慮到經濟成本的情況下，相繼研究合成了鋁基、鎳基、銅基、鐵基、鋼基、鋅基和錫基的多種金屬基材的復合材料，與單純鈦材料相比既具有優異的力學性能，又具有良好的耐磨、耐高溫和一定的耐蝕性，因此是一種優良的廉價復合金屬材料。

2.鈦合金的熱處理工藝概述

鈦合金的熱處理工藝常見有退火處理、固溶時效處理、形變熱處理和化學熱處理，固溶時效處理是鈦合金的典型熱處理方法。退火處理應用范圍廣泛，幾乎可適用于各種類型的鈦合金。固溶時效熱處理分為固溶處理和時效處理兩個過程，固溶處理能夠有效減少熱加工過程中所產生的組織不均勻性。固溶處理雖然不能提高合金強度，但其對后面的時效處理強化效果有明顯的影響。固溶需考慮的因素主要是固溶溫度、保溫時間、冷卻方式。固溶處理后淬火主要是為了保留在α型與β型相變過程中產生的亞穩定相，因為這些亞穩定相在隨后的時效過程中能分解成許多不同的形態，對鈦合金的力學強度轉變起到至關重要的作用。形變熱處理是將金屬的塑性變形，如鍛造、軋制、擠壓等，同熱處理過程有機結合起來，這一過程可安排在同一工藝周期內完成，也可在不同時間周期內進行。通過形變熱處理這一過程，可綜合發揮形變強化和熱處理強化的雙重優勢，最大程度避免兩種工序自身造成的品質缺陷，是提高鈦合金綜合使用性能指標如蠕動性，行之有效的方法。

3.新型鈦合金Ti-Cu-Fe-Ni的制備及熱處理工藝

（1）分別稱取0.12克FeSO4、0.08?克?CuSO4、0.04克NiSO4于50?mL的燒杯中，加入50?mL的去離子水，攪拌均勻。

（2）以海綿鈦為陰極，碳棒為陽極，恒電流10?mA下，在步驟（1）的溶液中電沉積80?min，得到Ti-Cu-Fe-Ni合金。

表1?Ti-Cu-Fe-Ni合金不同熱處理工藝

4.不同熱處理前后Ti-Cu-Fe-Ni合金組織結構變化

4.1直接時效后合金的?SEM?分析

直接時效處理其實屬于形變熱處理，在440℃將Ti-Cu-Fe-Ni合金處理12小時。對比時效處理前后掃描電鏡圖如圖1所示。時效處理前所形成的鈦合金比較分散，結合松散，而經過直接時效處理后鈦合金顆粒明顯結合均勻而又緊密。另外復合材料的強度也取決于顆粒的直徑、間距，從這形貌可以看出直接時效處理后顆粒小，間距小，具有更強的力學特性。

圖1?時效處理后Ti-Cu-Fe-Ni合金SEM?????????????圖2?固溶+時效處理后Ti-Cu-Fe-Ni合金SEM

4.2固溶+時效處理后合金的?SEM?分析

金相法測定Ti-Cu-Fe-Ni合金相變點約為860?℃?[3]，在相變點溫度860?℃固溶處理30分鐘后再時效處理12小時，固溶+時效處理前后掃描電鏡圖如上圖2所示。固溶+時效處理后鈦合金結合十分緊密，相互交織成網籃組織，蠕動性能及力學強度都得到很大提高，這源于固溶處理與時效處理有效的結合。

5.?結論

對比直接時效熱處理與固溶+時效處理對新型鈦合金結構性能影響。這兩種方式熱處理后Ti-Cu-Fe-Ni合金顆粒結合的均勻緊密，而在固溶+時效處理后Ti-Cu-Fe-Ni合金形貌變為典型的網籃組織，力學及蠕變性能提升最明顯。

參考文獻：

[1]張喜燕，?趙永慶，?白晨光等.?鈦合金及應用[M].?北京：?化學工業出版社，?2005

[2]毛彭齡.兩相鈦合金的相變特征和熱處理規范[J].上海鋼研，1995，（3）：50-58.

[3]吳曉東，葛鵬，?毛小南.BT22?鈦合金相變點的測定[J].?熱加工工藝?，2009，38（2）：124-125.