Ti -6Al-4V(以下簡(jiǎn)稱TC4)是美國(guó)于1945年.開(kāi)發(fā)出的一種兩相鈦合金，由于其良好的綜合性能及工藝特性,成為鈦工業(yè)中的王牌合金，被廣泛的應(yīng)用于化工、電力、航空航天、體育器械等領(lǐng)域。迄今為止,雖然TC4已經(jīng)問(wèn)世了70多年的時(shí)間,但是由于人們對(duì)于材料設(shè)計(jì)概念的變化，以及新技術(shù)、新應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，TC4鈦合金仍然是當(dāng)今鈦合金研究中的熱點(diǎn)合金。目前成本問(wèn)題是限制鈦合金應(yīng)用的一個(gè)重要因素,受此影響,低成本的合金化設(shè)計(jì)以及近凈成型技術(shù)尤其是增材制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)是目前鈦合金領(lǐng)域一個(gè)非常關(guān)注的話題。本文簡(jiǎn)要介紹了近些年來(lái)圍繞著TC4鈦合金的成分改進(jìn)、近凈成型工藝開(kāi)發(fā)進(jìn)展。

1、成分設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

合金的成分從根本上決定了合金的性能,隨著現(xiàn)今對(duì)于材料性能要求的日益提高,以及材料設(shè)計(jì)概念的改變,人們對(duì)于TC4合金進(jìn)行了不同程度的成分優(yōu)化再設(shè)計(jì),以期滿足不同的需求。針對(duì)TC4的成分優(yōu)化再設(shè)計(jì)有很多,例如早期的TIMETAL62S(Ti- 6Al - 2Fe - 0.1Si)、Ti8LC(Ti - Al - Fe -Mo)、Ti12LC(Ti- Al- Fe- Mo)等(3.4。近些年來(lái)也相繼發(fā)展了TIMETAL CI4(Ti-5Al-3V - 0. 6Fe -0. 10)、 ATI 425(Ti -4Al -2.5V - 1.5Fe -0.250)、Ti575(Ti-5.3Al-7.7V -0.5Si)、Ti - 54M(Ti- 5Al-4V -0.75Mo-0.5Fe)、Ti407(Ti -0. 85Al - 3.7V-0.25Fe -0.25Si)等一系列TC4改型鈦合金。針對(duì)TC4改型的目的主要有兩個(gè)，一個(gè)是出于性能考慮,尤其是其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。例如Ti575合金,相比于TC4,該合金降低了Al當(dāng)量,提高了Mo當(dāng)量,并加入了少量的Si來(lái)提高合金的強(qiáng)度。其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均高于TC4,并且在抗拉強(qiáng)度1 200 MPa時(shí)，延伸率可達(dá)到10.5%,比強(qiáng)度比TC4高出8%.并且相比于TC4合金,該合金具有更好的疲勞性能和可鍛性。針對(duì)TC4改型的另一個(gè)目的在于降低成本。TIMETAL CL4、ATI 425都是在TC4的基礎(chǔ)上降低了AI、V的含量并加人一-定量的Fe和0元素,在保證強(qiáng)度的同時(shí),改善了TC4合金的冷加工性,從而降低了成本。Ti407 合金具有更低的Al當(dāng)量,通過(guò)犧牲材料的強(qiáng)度來(lái)提高其加工性能,該合金設(shè)計(jì)目的主要是為了部分取代TC4,降低商用飛機(jī)用材的成本。Ti-54M相比于TC4,含有較低的Al當(dāng)量,并且加入了少量的Mo、Fe元素來(lái)降低β轉(zhuǎn)變溫度。該合金相比于TC4,具有更好的加工性和成形性,其超塑成形能力優(yōu)于TC4材料,可以顯著降低加工成本。

2、近凈成型工藝進(jìn)展

鈦合金的成本是決定是否應(yīng)用此種材料的重要因素。近凈成型技術(shù)是一種無(wú)切削或者少切削的工藝，主要包含AM(增材制造)、PM(粉末冶金)、SPF(超塑成形)以及精密鑄造技術(shù)等。由于其材料利用率高，可以有效節(jié)省加工成本,是目前鈦合金制備及加工領(lǐng)域的--個(gè)重要發(fā)展方向。

2.1 增材制造技術(shù)

金屬增材制造技術(shù)是目前鈦合金制備領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向,各個(gè)國(guó)家也分別對(duì)其在鈦合金方面(特別是TC4)的研究與應(yīng)用做了大量的工作。金屬增材制造技術(shù)是一個(gè)非常寬泛的概念,主要包含以激光立體成形技術(shù)(LSF)為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術(shù)，和以選區(qū)激光熔化技術(shù)( SLM)為代表的粉末床成形技術(shù)[61。表1給出了LSF與SLM制造的典型TC4與鍛態(tài)拉伸性能對(duì)比7-9]。從表1可以看出,目前LSF與SLM成形的TC4零件拉伸性能均可滿足鍛態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于以LSF為代表的同步送粉技術(shù)，其可以和各種傳統(tǒng)加工工藝結(jié)合,從而有效地提高致密度,因此可以獲得與退火態(tài)鍛件基本相當(dāng)?shù)母咧芷谛阅堋６鴮?duì)于SLM工藝，由于其孔隙難以完全消除，因此會(huì)對(duì)于拉伸塑形及疲勞性能產(chǎn)生不良的影響。目前限制增材制造技術(shù)應(yīng)用的因素有很多,例如高昂的粉末成本、特殊的組織形貌與織構(gòu)取向、低的疲勞性能、大的殘余應(yīng)力等等。近些年來(lái),有大量的研究試圖克服這些缺陷,例如通過(guò)引人形變的方式來(lái)弱化織構(gòu)、后續(xù)處理來(lái)改善拉伸和疲勞性能、預(yù)熱處理減小殘余應(yīng)力、優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得最小的孔隙率等等。但是,受制于增材制造特有的工藝特性，這些措施起到的效果都比較有限,而且會(huì)進(jìn)一步增加成本,抵消增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于增材制造技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)其專用合金勢(shì)在必行。

2.2 粉末冶金技術(shù)

傳統(tǒng)的BE(混合元素粉末冶金法)工藝制備的鈦合金往往會(huì)因?yàn)闅埩舻目锥础⒏叩难鹾恳约按执蟮慕M織,對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。通常的做法是利用粉末鍛造工藝，來(lái)減小甚至完全消除孔隙，.細(xì)化組織,但這種工藝無(wú)疑增加了成本,并且抵消了PM近凈成型的優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái),發(fā)展了一種基于BE的新型工藝HSPT(氫燒結(jié)和相轉(zhuǎn)變)。該工藝結(jié)合了THP(熱氫處理技術(shù))和BE的優(yōu)點(diǎn),其工藝流程圖如圖1所示3。該工藝采用可控的氫氣作為保護(hù)氣體,并利用H元素的可逆合金化作用來(lái)細(xì)化晶粒。利用該工藝制備的TC4合金致密度可以達(dá)到99%以上，并且燒結(jié)后的組織為超細(xì)晶結(jié)構(gòu),明顯提高了合金的靜態(tài)拉伸性能[4(相比于真空燒結(jié))。而且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理工藝(無(wú)需熱加工)即可獲得類(lèi)鍛態(tài)組織(雙態(tài)組織和等軸組織),且其拉伸性能明顯優(yōu)于鍛態(tài)組織。但是,目前由于人們對(duì)于(T -6Al-4V)-xH相圖缺乏進(jìn)--步的理解,該相圖并沒(méi)有很好地建立起來(lái),限制了該工藝的進(jìn)一步優(yōu)化研究。而且,有文獻(xiàn)報(bào)道,通過(guò)該工藝制備下的TC4工件,氧含量偏高,對(duì)其性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

有學(xué)者利用粉末中混人稀土元素的方式成功地緩和了PM工藝中0元素的不利影響,因此如果可以有效利用粉末中混合稀土元素的方式來(lái)改善氧的不利影響,無(wú)疑是對(duì)此種新型工藝非常有吸引力的。總而言之,由于HSPT工藝粉末無(wú)需預(yù)合金化，后續(xù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的熱處理即可獲得鍛態(tài)組織，可以顯著地降低PM工藝的成本，對(duì)于大批量生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的小型件是一種非常有吸引力的工藝。

2.3 超塑成形技術(shù)

超塑成形技術(shù)(SPF)是一種利用薄板材料的超塑性來(lái)成形的工藝，其優(yōu)點(diǎn)是可以成形復(fù)雜件,零件表面質(zhì)量好。普通的TC4材料的超塑性成型溫度在900℃以上,所需應(yīng)變速率低于10-3-1,因此,其長(zhǎng)時(shí)間的成型時(shí)間、高的成型溫度限制了其在批量生產(chǎn)方面的應(yīng)用。傳統(tǒng)的解決方法是利用細(xì)化晶粒來(lái)提高材料的超塑成形能力,例如晶粒尺寸在1μm左右的TC4板材(普通的TC4板材晶粒尺寸在4~ 10μm)可以將成型溫度降低到775℃。但是這種超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的制備無(wú)疑又增加了零件制造的成本。HP. (熱成型) +SPF是一種新型的類(lèi)超塑成形工藝,其原理如圖2所示，材料先在低于超塑成形溫度下進(jìn)行一-定量的預(yù)變形,隨后在一-定的氣壓下進(jìn)行吹塑成形。有學(xué)者已經(jīng)利用這種工藝成功地制備出了TC4零件，并將成型溫度由原來(lái)的900C降低到了800℃,成型時(shí)間由120min降低到了16min。但是,目前關(guān)于此工藝的研究報(bào)道很少，而且對(duì)于如何有效控制預(yù)變形階段的升溫以及成形階段的氧化問(wèn)題目前還沒(méi)有相應(yīng)的報(bào)導(dǎo)。

2.4 精密鑄造技術(shù)

由于鑄造成本的降低和鈦合金鑄造質(zhì)量和產(chǎn)能的提高,鑄造鈦零配件的使用量是呈上升趨勢(shì)的,并且目前在航空航天工業(yè)中98%以上的鑄造結(jié)構(gòu)件都是采用熔模精密鑄造技術(shù)。對(duì)于高性能鈦合金大型整體精鑄件的生產(chǎn)現(xiàn)今大多數(shù)是采用金屬面層陶瓷型殼或氧化物面層陶瓷型殼澆注出來(lái)的。但是這些陶瓷模具在高溫下會(huì)與鈦溶液反應(yīng)，在鑄件表面形成a層,隨后必須加以酸洗。即使采用冷坩堝感應(yīng)熔煉+離心鑄造的方式可以有效降低這種富氧α層的厚度,但仍不能做到完全消除。為了避免這種現(xiàn)象以及出于規(guī)模化的考慮,近些年來(lái)正在積極地研究和發(fā)展鈦合金的永久模鑄造技術(shù)。目前已經(jīng)真正獲得實(shí)用化的技術(shù)是真空壓鑄技術(shù),但現(xiàn)階段只能批量生產(chǎn)- .些簡(jiǎn)單形狀的鈦鑄件。限制鈦鑄造永久鑄模的主要難點(diǎn)在于當(dāng)獲得適宜的過(guò)熱度來(lái)滿足良好充填性的同時(shí),要使熔融鈦與鑄模之間的相互作用最小采用計(jì)算機(jī)模擬、熱等靜壓和β熱處理等技術(shù)。例如美國(guó)成功通過(guò)上述綜合工藝獲得了與鍛件靜力和疲勞性能相當(dāng)?shù)拇笮蚑C4精鑄件,并已成功應(yīng)用于F/A-22、V -22等軍用飛機(jī)。

3、結(jié)語(yǔ)

TC4鈦合金由于其優(yōu)異的綜合性能，在今天仍然是鈦工業(yè)中的主流合金。目前限制其普及化及民用化的主要問(wèn)題仍然為成本問(wèn)題。而且我國(guó)雖然在鈦合金。另外,為了消除傳統(tǒng)鑄造鈦合金的鑄造缺陷、改善合金的性能，常常在精鑄工藝上研究水平大體與國(guó)外接近,但是在鈦合金制備技術(shù)、加工技術(shù)、裝備水平等方面與美、俄等國(guó)家仍存在相當(dāng)大的差距。例如工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常存在產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、成材率低等- -系列問(wèn)題，而這些額外因素又進(jìn)-步增加了鈦合金的成本。因此擬提出如下建議:

1）注重制備及加工技術(shù)的開(kāi)發(fā),例如精鍛、模鍛技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、尤其是近凈成型技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等等。

2）擴(kuò)大計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料成型與加工領(lǐng)域的應(yīng)用,減小工藝設(shè)計(jì)周期。

3）提高加工過(guò)程中的自動(dòng)控制水平,提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4）分析研究其特殊性能,找出其有別于其它工程材料的優(yōu)勢(shì),擴(kuò)大其在新應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文作者：楊佩；康聰；李維

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