1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1. 钛合金概述

1.1钛合金的分类

以钛为基体加入其它合金元素组成的合金称为钛合金，其具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、焊接性能好、易加工成型等优点，因此广泛应用在航空航天领域，同时在生物制药和石油化工行业中也得到广泛的应用。

在钛中加入一些合金元素，根据所形成的钛合金的特性，通常将钛合金分为3种^[1]：

α相钛合金，α相钛合金是α相固溶体组成的单相合金，结构为密排六方晶格结构，有很高的韧性、比强度和焊接性，在高温下拥有很强的抗氧化性能，缺点是成型性较差，只能在高温环境下应用。

β相钛合金，β相钛合金是β相固溶体组成的单相合金，结构为体心立方结构，有很好的成型性，未经热处理就具有较高的强度，经过淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372~1666MPa，但热稳定性较差，不适合在高温下使用。

α β相钛合金，α β相钛合金是一种双相合金，有良好的综合性能，组织稳定性好，韧性、塑性和高温变形性能好，但其热强性不佳。经过热处理强化后，适用于具有高强度要求的部件中，用量最大，用途最为广泛。

1.2 Ti-6Al-4V钛合金

Ti-6Al-4V钛合金简称TC4，是于1954年首先研制成功的等轴马氏体型两相合金^[2]，即为α β相钛合金，其金相组织图如图1所示。TC4合金根据精炼程度可分为普通TC4和TC4(ELI),其成分如表1^[2]所示，其具有良好的综合性能，组织稳定性好，塑性、韧性和高温变形性能良好，能较好的进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化，热处理后的强度比退火状态提高50%~100%，高温强度高，可在400℃~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

图1：TC4的金相组织图

表1：Ti-6Al-4V合金与Ti-6Al-4V(ELI)合金的成分(质量分数)%

1.3Fe元素对Ti-6Al-4V钛合金的影响

如图2^[3]所示，随着Fe含量增加，Ti-6Al-4V钛合金的室温抗拉强度、屈服强度、弹性模量和硬度增加，塑性无明显变化。进一步分析发现，Fe含量与屈强比σ_0.2/σ_b呈线性关系，Fe含量0.26wt％时屈强比σ_0.2/σ_b高达0.97^[3]。高Fe含量时Ti-6Al-4V钛合金塑性变形是滑移为主、孪生为辅的复合变形机制。因此，在合金成分设计方面，合理提高Ti-6Al-4V钛合金中Fe元素含量，在保证塑性韧性前提下，可有效提高材料屈强比等强度指标。

图2：Ti-6Al-4V钛合金屈强比σ_0.2/σ_b与Fe含量的关系

1.4Ti-6Al-4V钛合金的应用

Ti-6Al-4V钛合金具有优异的综合性能，在航空航天领域被广泛应用，合金长时间工作温度可达400℃，在航空工业中主要用于制造发动机的风扇和压气机盘及叶片，以及飞机机构中的梁、接头和隔框等重力承力构件^[4]。Ti-6Al-4V钛合金具有接近人骨的弹性模量等综合性能，故广泛用作人体植入材料。Ti-6Al-4V钛合金密度比钢小，赛车和跑车用它制造气门座圈，通常比钢制品轻10kg左右。

2. 钛合金的熔炼技术

2.1熔炼技术的分类

钛和钛合金的熔炼主要分为两类：真空自耗和真空非自耗熔炼。真空自耗熔炼主要包括真空自耗电弧熔炼(VAR)、电渣熔炼以及真空凝壳炉熔炼^[5]。真空非自耗熔炼主要包括真空非自耗电弧熔炼、冷坩埚感应熔炼、冷床炉熔炼，而冷床炉熔炼又分为电子束冷床炉熔炼(EBCHM)和等离子束冷床炉熔炼(PACHM) ^[6]。目前钛和钛合金铸锭的工业化生产中应用最广泛的是真空自耗电弧熔炼和冷床炉熔炼，两种熔炼炉如图3图4^[5]所示。

图3：真空自耗电弧炉 图4：冷床炉工作示意图

2.2悬浮熔炼技术

悬浮熔炼技术是指在熔炼过程中被熔炼材料处于悬浮或准悬浮状态的技术，其突出优点是排除了在高温条件下坩埚材料对金属熔体的污染，能制备纯度高、成分均匀且精确的材料，并能获得很高的熔炼温度。悬浮熔炼技术主要分为两种^[7]：(1)全悬浮感应熔炼技术，这种技术是在熔炼过程中使被熔材料处于完全悬浮状态的熔炼技术，采用这种技术不需要坩埚，被熔材料直接悬浮在感应圈中。这种技术本身存在一些重要的困难，熔炼的材料的重量不超过100g。(2)冷坩埚感应熔炼技术，这种技术将分瓣的水冷坩埚放在交变电磁场内，如图5^[7]所示，利用电磁场产生的涡流热熔融金属，依靠电磁力使熔融金属与坩埚保持软接触或非接触状态，电磁场对熔池表面作用力如图6^[7]所示。坩埚一般为紫铜制作，为防止电磁场进入坩埚，坩埚需要沿轴向开缝，为了防止坩埚在高温下融化，坩埚每一瓣中必须通水冷却。

图5：真空室中坩埚和感应圈 图6：电磁场对熔池表面作用力示意图

3. 热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金的影响

3.1Ti-6Al-4V钛合金的热处理工艺

在钛合金中，TC4是应用比较广泛的一种钛合金，通常它是在退火状态下使用。对TC4可进行消除应力退火、再结晶退火和固溶时效处理，退火后的组织是α和β两相共存，但β相含量较少，约占有10%。TC4再结晶温度为750℃。再结晶退火温度一般选在再结晶温度以上80~100℃，再结晶退火后TC4的组织是等轴α相 β相，综合性能良好。但对TC4的退火处理只是一种相稳定化处理，为了充分挖掘其优良性能的潜力，则应进行强化处理。TC4合金的α β/β相转变温度为980~990℃，固溶处理温度一般选在α β/β转变温度以下40~100℃，因为在β相区固溶处理所得到的粗大魏氏体组织虽具有持久强度高和断裂韧性高的优点，但拉伸塑性和疲劳强度均很低，而在α β相区固溶处理则无此缺点。除了以上的几种热处理，还有淬火、多重热处理等热处理方式。

3.2热处理工艺对组织演变的影响

Ti6Al4V合金经不同热处理后的微观组织如图7^[8]所示。根据所获得的微观结构，加热温度在（α β）→β转变温度以下时可以得到更加等轴的结构，但是转变组织的比例较少。当加热温度高于（α β）→β转变温度时，可以得到粗大的晶粒和片层微观结构，可以清楚地看到，原始β晶粒和明显的α相沿晶界分开出现，原始β晶粒转变成长而交错的微观结构，在不同的地方编织。图7a是退火合金的微观组织，它是主要的α相和（α β）相的混合物。从图7b到图7f可以看出，当固溶和时效处理合金时，组织由β相和（α β）相组成，但时效后的微观结构较粗糙。图7b的淬火温度为920℃，淬火后α'相越来越小，经过时效处理后，α'相转变为细小片状（α β）相的混合物，随着时效温度的升高，α'相尺寸变大，大尺寸的α'相在热处理后会转变为较大的（α β）相，片层间距较大。从图7c可以看出，这是典型的双态组织结构，当温度低于转换温度时可以得到。相比于固溶体的α相，时效后α'相尺寸明显变粗。可以推测，从α'相析出的α相不仅形成层状，而且还沿α相生长，所以α相的尺寸最终变粗。随着固溶温度的升高，强化相的完全溶解度和合金元素在晶界上的均匀分布如图7d所示，随着时效温度的升高，（α β）相晶粒逐渐增大，同时β相再结晶，由于β相增加，相转变过程中原子的扩散、相的溶解、析出和聚集，导致β相在α晶体附近的晶团中分布。当温度接近β转变温度时，β相成为基体，这种组织具有良好的塑性和稳定性，但蠕变性能较差。马氏体在淬火过程中转化为α'相和亚稳态β相。从图7e可以看出，初生α相完全转变为β相，片层β相和剩余的α相以晶团的形式排列，α相不仅沿晶界均匀分布，而且以束集的形式平行排列于β晶粒中。因此获得明显的篮状微观结构，晶粒变小，综合性能得到改善。由于是水冷，所以在快速冷却过程中的高温区域中的β相来不及转变成α相，得到马氏体α＂和亚稳态β相，α＂和亚稳态β相开始分解，产生分散（α β）相篮状组织，具有良好的疲劳性能等综合性能。片状β相的尺寸变小，相互交错，微观结构细化，这提高了合金的综合性能。从图7e可以看出，随着固溶温度的升高，晶粒变粗，尺寸变大，而且α相呈现出片层微观组织结构，出现明显的α相。在β相中析出了具有分层排列的α相，一些残余的α相沿着长条状组织结构的晶界不均匀分布。从图7g可以看出，片状的晶粒粗大，原始的β晶粒转化为长条状的交错排列的组织。

图7：Ti6Al4V合金在不同热处理条件下的微观组织：（a）热轧（不加热）;（b）920℃/ 1h WQ，450℃/ 4h AC;（c）920℃/ 1h WQ，500℃/ 4h AC;（d）960℃/ 1h WQ，450℃/ 4h AC;（e）960℃/ 1h WQ，500℃/ 4h AC;（f）1000℃/ 1h WQ，450℃/ 4h AC;（g）1000℃/ 1h WQ，500℃/ 4h AC

3.3组织形貌对力学性能的影响

随着固溶温度的升高，Ti-6Al-4V钛合金显微组织中的等轴α组织比例会逐渐减少，β转变组织数量逐渐增加。在两相区固溶，随着固溶温度的升高，会有粗大α相析出于晶粒边界且呈团束状平行排列于晶粒β相内，时效后组织粗大不均。在固溶温度相同时，随着时效温度的升高，α相会聚集长大，使组织粗大。960℃固溶和500℃时效后，得到的片层状β相和残余α相团束平行均匀分布，呈网篮状组织，可获得良好的综合性能^[9-12]。

如图8和图9 ^[10]所示，随着固溶温度升高，热处理后的合金强度先升高后降低，塑性和冲击韧性随固溶温度升高而不断降低。在固溶温度相同时，随着时效温度升高，合金强度降低，塑性和韧性先升高后降低。热处理后的Ti-6Al-4V钛合金的断口呈大小不等的韧窝状，为穿晶韧性断裂。随着固溶与时效温度共同升高，韧性下降，抵抗裂纹扩展能力减小。这说明析出不均匀分布的α相降低了TC4钛合金的塑性与韧性，延伸率也受到一定的影响^[13-18]。

图8：固溶温度对TC4钛合金力学性能的影响

图9：固溶温度对TC4钛合金冲击韧性的影响(500℃时效)

4. 本课题研究的目的及意义

本课题研究的内容是TC4-0.7Fe合金的悬浮熔炼及β热处理对其组织和性能的影响。主要从三个方面研究：1.Fe元素加入改善了Ti-6Al-4V合金的加工性能，降低加工成本，并在保证Ti-6Al-4V合金原有强度的基础上，提高合金塑性，提升综合性能。2.熔炼过程中进行精炼降低了杂质元素含量，均匀成分，提高了合金的综合力学性能。3.探索最佳的热处理工艺，找出强塑性匹配良好的热处理制度。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

钛合金作为一种广泛应用于航空航天、船舶机械及医疗器件等领域，要求加工后的构件具有良好的综合性能。而微观组织在钛合金性能优劣方面占有举足轻重的作用，诸如强度、塑韧性、断裂韧性及常温蠕变等性能均与室温下钛合金的微观形貌息息相关。钛合金热加工质量的好坏及后续热处理工艺对材料的成品性能至关重要，因此研究钛合金的热加工工艺和组织性能影响规律显得尤为重要。

本课题的主要内容有：

（1）根据合金性能，制定不同的热处理制度，使热处理后的合金得到不同的显微组织。