钛合金TC4性能研究进展分析

2023-08-31陈卫东王济生孔永平

当代化工研究 2023年17期

＊陈卫东王济生孔永平

（1.河南中原重型锻压有限公司河南 454650 2.河南省豫隆科学技术研究院有限公司河南 450007）

钛作为20世纪中期发展起来的一种重要的结构金属，具有强度高、密度小、耐热性高、耐蚀性好、韧性好等优势性能，主要用于航空航天工业。随着经济及技术的突飞猛进，近年来，在对钛合金的工艺研究方面也有一些突破性的成果，钛合金也在汽车、海洋、石油化工、医疗、船舶等行业中得到了广泛的应用[1]。

当前针对钛合金TC4的残余应力、耐腐蚀性能、疲劳寿命及蠕变现象方面的研究尚不充分。基于此，本文对钛合金TC4的残余应力、耐腐蚀性能、疲劳寿命及蠕变现象等进行分析，对钛合金TC4的性能研究提供一定的参考。

1.钛合金TC4的残余应力

在钛合金TC4的加工过程中，高温连续加热会造成锻件不同区域的升温速率有一定的差异，产生的温度差导致锻件产生残余应力，致使锻件发生变形、断裂等。针对这一问题，吕孝根等[2]通过分段加热方式降低加热过程中不同区域的温度差，即在热处理前先预热保温，然后再进行热处理，改善了锻件的温度均匀性继而降低其残余应力，改善锻件的性能与品质。在钢材的热处理加工过程中，淬火可以提升钢材的性能，但是淬火过程中淬火介质的选择、淬火强度以及淬火工艺参数等均对钢材的残余应力的演化有一定的影响，这种影响主要是钢材与淬火介质之间的传热过程的不均匀性所导致的。

对于钛合金TC4来说，变形温度和变形程度、变形速率是影响其残余应力的因素，当变形的温度和速率越大时，锻件本身会动态回复，启动锻件的动态再结晶，这对改善锻件的组织性能就会越有利。在实际生产过程中，如图1，适当地提高锻件的变形温度和变形速率，降低锻件的变形程度，能够降低锻件锻造过程中产生的残余应力，进而能提高产品的质量[3]。

图1 变形温度和变形速度对锻件残余应力的影响[3]

当锻件的变形程度较低时，TC4钛合金锻件可以自主动态回复，此时有助于降低锻件的残余应力，而当锻件的变形程度升高时，TC4钛合金锻件可以动态再结晶，此时会增加锻件的残余应力。由此，在选择变形程度时，应尽量降低锻件的变形程度。

2.钛合金TC4的耐腐性能

不同的热处理工艺如退火、固溶、时效可以对钛合金的组织结构产生不同的影响，进而对钛合金的耐腐蚀性能也产生影响。而钛合金TC4的相组成、化学元素成分组成、晶粒尺寸等都可以影响钛合金TC4的耐腐蚀性能[4]。

随着退火温度的升高和退火时间的延长，TC4钛合金等轴相尺寸增加（β相含量增加，α相含量减少）如表1所示，耐腐蚀性能下降[5]。如图2所示，把元素Cr和Fe加入到钛合金TC4中可以使马氏体转变温度下降，进而提高β相的稳定性，提高钛合金TC4的耐腐蚀性能[6]。固溶处理后得到的马氏体组织可以提高钛合金材料的耐腐蚀性能，但是如果固溶温度下降时，固溶后不仅会得到马氏体组织，还会有α片层组织，此时钛合金的耐腐性能就会随之下降。因此这个过程受固溶温度的影响。

图2 试验样品的XRD谱图[6]

钛合金的耐腐蚀性能主要是得益于钛合金的钝化膜，这层钝化膜对钛合金有很强的保护性，钝化膜是不同的氧化物组成的混合结构，但是其具体组成成分及变化还需要进一步分析研究[7]。当处于盐酸环境中时，钛合金TC4发生点蚀现象，这种现象主要受TC4钛合金表面的粗糙程度影响。如果在钛合金TC4表面加上氧化物涂层，也可以改变TC4钛合金的腐蚀性能。氧化涂层的耐蚀性主要受微孔数量、孔径、膜厚和成分等因素的影响，石墨烯的加入主要改变了氧化涂层的成分和结构，产生了SiC和石墨烯，SiC和石墨烯都能提高涂层的耐腐蚀性能。

海水温度、压力、pH、溶解氧含量均会影响材料的耐腐蚀性，而海洋中的微生物也是一个复杂的团体，微生物的附着、新陈代谢对TC4钛合金材料的影响也是一个未知的问题，需要进一步的探讨研究[8]。

3.钛合金TC4的疲劳寿命

当TC4钛合金的弹性模量、抗拉强度、屈服强度及断面收缩率增长时，锻件的疲劳寿命也会随之增加，他们之间为正相关的关系。但是这也是单因素分析的结果，在实际生产中，温度和外部载荷会使锻件产生残余应力，而产生的残余应力随着外部环境的变化释放出来，会加速锻件疲劳寿命的终结。因此，综合各方面因素包括残余应力、力学性能等对TC4钛合金疲劳寿命进行深入研究探讨其作用机制是研究的一个方向。

涂层能够显著提高钛合金TC4的疲劳寿命，不同条件下的涂层疲劳寿命也会不同，涂层的缺陷会在合金表面形成裂纹，降低钛合金TC4的疲劳寿命。对镍钛合金来说，通过研究它的化学成分、表面涂层、表面氧化、改进加工技术、热处理方式等方法，能够改善镍钛合金的生物兼容性以及疲劳性能[9]，或能对钛合金的研究提供一定的思路。

钛合金表面以微米为单位的微划痕能显著降低合金材料的疲劳寿命，使其从极高周疲劳降低到高周疲劳，而相较于划痕的方向和长度对钛合金疲劳寿命产生无明显意义的影响，划痕的深度和宽度则对钛合金TC4的疲劳寿命产生了显著的影响，这对钛合金疲劳寿命的研究也指明了方向。

4.钛合金TC4的蠕变性能

蠕变的发生会导致锻件的变形、破裂，影响锻件的正常运行，给工业生产、航空航天、道路运输等带来安全隐患及利益损失。影响钛合金蠕变现象的因素有多种，钛合金的蠕变行为不仅与外部服役环境有关，还与合金的化学成分、加工工艺及锻件的尺寸大小、形状等有关[10]。

在低应力水平下，钛合金的蠕变随着温度的升高而变大；在较高的应力水平下，β锻造区钛合金的蠕变随着温度的升高变大幅度比较大，α+β锻造区钛合金的蠕变则相反，如图3所示，而钛合金的蠕变对锻造变形量则敏感度不高。高温环境下，TC4钛合金的组织和性能都会发生变化，而且由于钛合金的敏感性，需要锻件具有较好的抗蠕变性能。

图3 不同锻造温度下TC4钛合金锻件的蠕变曲线[11]

超细晶结构及非平衡相的成分也会影响钛合金TC4的蠕变性能，使得钛合金与经典的蠕变幂定律相反，蠕变过程中合金发生了β-α的相变，进行了合金元素的重新分布，降低了合金的蠕变激活能，提高了合金的抗蠕变性能。

在室温条件下，外界压力能够细化TC4钛合金组织，提高锻件的抗塑性变形能力，同时减少了锻件的蠕变量，降低了材料的蠕变速率[12]。另外，硬度的增加也能提高材料的抗蠕变能力[13]。不同的应力水平，钛合金锻件的蠕变残余变量及蠕变速率也不相同，如图4所示，其随着应力水平的提高而增加，但是他们的变化趋势相同[14]。

图4 TC4棒材400℃的蠕变应变-时间曲线[14]

在较高的应力条件下，相对于快速的变形速度，材料的恢复过程就会变得很慢甚至没有效果。蠕变过程中的内应力在初始阶段迅速升高，而在稳定阶段则趋于平稳，并且内应力会随着外加应力的增大而增大。

不同的TC4钛合金材料中的元素化学成分不同，添加稀土元素之后可以改善钛合金材料的高温蠕变性能。添加的稀土元素不同，带来的影响也不尽相同，比如在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系的合金中添加稀土元素Ce之后，合金的抗蠕变性能反而有所下降[15]。在钛合金中加入稀土元素主要通过三个方面发挥作用进而改善其蠕变性能，分别是稀土元素发生内氧化降低合金基体氧含量、抵制合金α相的析出长大及促使细小硅化物的均匀析出[16]。目前关于关于Si、Sc对钛合金蠕变性能的影响还需要进一步研究，尤其是稀土元素Sc。故针对稀土元素对钛合金蠕变性能的影响及作用机理研究是未来的研究方向之一。