鈦合金TC4性能研究進(jìn)展分析

＊陳衛(wèi)東王濟(jì)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(xué)技術(shù)研究院有限公司 河南 450007）

鈦?zhàn)鳛?0世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，具有強(qiáng)度高、密度小、耐熱性高、耐蝕性好、韌性好等優(yōu)勢(shì)性能，主要用于航空航天工業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的突飛猛進(jìn)，近年來(lái)，在對(duì)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(yī)療、船舶等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

當(dāng)前針對(duì)鈦合金TC4的殘余應(yīng)力、耐腐蝕性能、疲勞壽命及蠕變現(xiàn)象方面的研究尚不充分。基于此，本文對(duì)鈦合金TC4的殘余應(yīng)力、耐腐蝕性能、疲勞壽命及蠕變現(xiàn)象等進(jìn)行分析，對(duì)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(yīng)力

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

對(duì)于鈦合金TC4來(lái)說(shuō)，變形溫度和變形程度、變形速率是影響其殘余應(yīng)力的因素，當(dāng)變形的溫度和速率越大時(shí)，鍛件本身會(huì)動(dòng)態(tài)回復(fù)，啟動(dòng)鍛件的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這對(duì)改善鍛件的組織性能就會(huì)越有利。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，如圖1，適當(dāng)?shù)靥岣咤懠淖冃螠囟群妥冃嗡俾剩档湾懠淖冃纬潭龋軌蚪档湾懠懺爝^(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，進(jìn)而能提高產(chǎn)品的質(zhì)量[3]。

圖1 變形溫度和變形速度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力的影響[3]

當(dāng)鍛件的變形程度較低時(shí)，TC4鈦合金鍛件可以自主動(dòng)態(tài)回復(fù)，此時(shí)有助于降低鍛件的殘余應(yīng)力，而當(dāng)鍛件的變形程度升高時(shí)，TC4鈦合金鍛件可以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，此時(shí)會(huì)增加鍛件的殘余應(yīng)力。由此，在選擇變形程度時(shí)，應(yīng)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(shí)效可以對(duì)鈦合金的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)而對(duì)鈦合金的耐腐蝕性能也產(chǎn)生影響。而鈦合金TC4的相組成、化學(xué)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(zhuǎn)變溫度下降，進(jìn)而提高β相的穩(wěn)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(shí)，固溶后不僅會(huì)得到馬氏體組織，還會(huì)有α片層組織，此時(shí)鈦合金的耐腐性能就會(huì)隨之下降。因此這個(gè)過(guò)程受固溶溫度的影響。

圖2 試驗(yàn)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(duì)鈦合金有很強(qiáng)的保護(hù)性，鈍化膜是不同的氧化物組成的混合結(jié)構(gòu)，但是其具體組成成分及變化還需要進(jìn)一步分析研究[7]。當(dāng)處于鹽酸環(huán)境中時(shí)，鈦合金TC4發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)，產(chǎn)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(huì)影響材料的耐腐蝕性，而海洋中的微生物也是一個(gè)復(fù)雜的團(tuán)體，微生物的附著、新陳代謝對(duì)TC4鈦合金材料的影響也是一個(gè)未知的問題，需要進(jìn)一步的探討研究[8]。

3.鈦合金TC4的疲勞壽命

當(dāng)TC4鈦合金的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷面收縮率增長(zhǎng)時(shí)，鍛件的疲勞壽命也會(huì)隨之增加，他們之間為正相關(guān)的關(guān)系。但是這也是單因素分析的結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中，溫度和外部載荷會(huì)使鍛件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力隨著外部環(huán)境的變化釋放出來(lái)，會(huì)加速鍛件疲勞壽命的終結(jié)。因此，綜合各方面因素包括殘余應(yīng)力、力學(xué)性能等對(duì)TC4鈦合金疲勞壽命進(jìn)行深入研究探討其作用機(jī)制是研究的一個(gè)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(huì)不同，涂層的缺陷會(huì)在合金表面形成裂紋，降低鈦合金TC4的疲勞壽命。對(duì)鎳鈦合金來(lái)說(shuō)，通過(guò)研究它的化學(xué)成分、表面涂層、表面氧化、改進(jìn)加工技術(shù)、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(duì)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(zhǎng)度對(duì)鈦合金疲勞壽命產(chǎn)生無(wú)明顯意義的影響，劃痕的深度和寬度則對(duì)鈦合金TC4的疲勞壽命產(chǎn)生了顯著的影響，這對(duì)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(fā)生會(huì)導(dǎo)致鍛件的變形、破裂，影響鍛件的正常運(yùn)行，給工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、道路運(yùn)輸?shù)葞?lái)安全隱患及利益損失。影響鈦合金蠕變現(xiàn)象的因素有多種，鈦合金的蠕變行為不僅與外部服役環(huán)境有關(guān)，還與合金的化學(xué)成分、加工工藝及鍛件的尺寸大小、形狀等有關(guān)[10]。

在低應(yīng)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(yīng)力水平下，β鍛造區(qū)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(qū)鈦合金的蠕變則相反，如圖3所示，而鈦合金的蠕變對(duì)鍛造變形量則敏感度不高。高溫環(huán)境下，TC4鈦合金的組織和性能都會(huì)發(fā)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(xì)晶結(jié)構(gòu)及非平衡相的成分也會(huì)影響鈦合金TC4的蠕變性能，使得鈦合金與經(jīng)典的蠕變冪定律相反，蠕變過(guò)程中合金發(fā)生了β-α的相變，進(jìn)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(xì)化TC4鈦合金組織，提高鍛件的抗塑性變形能力，同時(shí)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(yīng)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(yīng)力水平的提高而增加，但是他們的變化趨勢(shì)相同[14]。

圖4 TC4棒材400℃的蠕變應(yīng)變-時(shí)間曲線[14]

在較高的應(yīng)力條件下，相對(duì)于快速的變形速度，材料的恢復(fù)過(guò)程就會(huì)變得很慢甚至沒有效果。蠕變過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力在初始階段迅速升高，而在穩(wěn)定階段則趨于平穩(wěn)，并且內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨著外加應(yīng)力的增大而增大。

不同的TC4鈦合金材料中的元素化學(xué)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(lái)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(guò)三個(gè)方面發(fā)揮作用進(jìn)而改善其蠕變性能，分別是稀土元素發(fā)生內(nèi)氧化降低合金基體氧含量、抵制合金α相的析出長(zhǎng)大及促使細(xì)小硅化物的均勻析出[16]。目前關(guān)于關(guān)于Si、Sc對(duì)鈦合金蠕變性能的影響還需要進(jìn)一步研究，尤其是稀土元素Sc。故針對(duì)稀土元素對(duì)鈦合金蠕變性能的影響及作用機(jī)理研究是未來(lái)的研究方向之一。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在TC4鈦合金鍛件的加工及使用過(guò)程中，不僅要關(guān)注研究鈦合金TC4的組織變化及強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能變化，還要結(jié)合鈦合金TC4的殘余應(yīng)力變化、耐腐蝕性能、疲勞周期及蠕變現(xiàn)象等綜合研究鈦合金TC4的工藝參數(shù)，調(diào)整鍛件的服役質(zhì)量和工作效率，進(jìn)而促進(jìn)鈦合金TC4在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。