钛(tai)作(zuo)为20世纪(ji)中(zhong)期(qi)发(fa)展(zhan)起来的一种重(zhong)要的(de)结(jie)构(gou)金(jin)属(shu)，具(ju)有强(qiang)度高(gao)、密(mi)度小(xiao)、耐(nai)热性高、耐(nai)蚀性好(hao)、韧性(xing)好等优势(shi)性能，主(zhu)要用(yong)于航(hang)空(kong)航(hang)天工(gong)业。随着(zhe)经(jing)济(ji)及技术(shu)的(de)突飞(fei)猛进，近(jin)年(nian)来(lai)，在(zai)对钛(tai)合金的(de)工艺研(yan)究方(fang)面也有一(yi)些突(tu)破(po)性的成(cheng)果(guo)，钛合(he)金也(ye)在(zai)汽车(che)、海(hai)洋、石(shi)油化工、医疗、船(chuan)舶等行业中(zhong)得到了(le)广泛(fan)的应用(yong)[1]。
当前(qian)针对(dui)钛(tai)合金(jin)TC4的残余应力、耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)能(neng)、疲劳(lao)寿(shou)命及(ji)蠕(ru)变(bian)现(xian)象方(fang)面的(de)研(yan)究尚(shang)不(bu)充分。基于此(ci)，本(ben)文(wen)对(dui)钛(tai)合金TC4的(de)残余(yu)应(ying)力(li)、耐(nai)腐(fu)蚀性能(neng)、疲劳寿(shou)命(ming)及(ji)蠕变现象(xiang)等(deng)进行(xing)分(fen)析，对(dui)钛合金TC4的(de)性能研究提供(gong)一定的参考。
1、钛(tai)合(he)金TC4的(de)残(can)余(yu)应(ying)力
在钛合金(jin)TC4的(de)加(jia)工过程(cheng)中(zhong)，高(gao)温连续(xu)加(jia)热会造(zao)成锻件(jian)不(bu)同(tong)区域的升(sheng)温(wen)速(su)率有(you)一(yi)定(ding)的差异，产生(sheng)的(de)温度差导致(zhi)锻件(jian)产生(sheng)残(can)余(yu)应力，致(zhi)使(shi)锻(duan)件发生(sheng)变形、断裂等(deng)。针对(dui)这(zhe)一问(wen)题，吕(lv)孝根等[2]通过(guo)分段(duan)加热(re)方式降低(di)加热过(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)同区(qu)域的温(wen)度(du)差，即(ji)在热处理(li)前先预热(re)保温，然后(hou)再(zai)进行(xing)热(re)处(chu)理，改(gai)善了(le)锻件(jian)的温(wen)度(du)均匀性继(ji)而(er)降低其残(can)余应力(li)，改(gai)善(shan)锻件(jian)的性(xing)能(neng)与(yu)品(pin)质(zhi)。
在钢(gang)材的热(re)处理(li)加(jia)工(gong)过程(cheng)中(zhong)，淬火(huo)可(ke)以提升(sheng)钢材(cai)的(de)性能，但是淬火(huo)过程(cheng)中(zhong)淬(cui)火介(jie)质(zhi)的选(xuan)择、淬(cui)火(huo)强(qiang)度(du)以及淬火(huo)工(gong)艺参数(shu)等均(jun)对(dui)钢(gang)材(cai)的(de)残余应(ying)力(li)的(de)演(yan)化有一定(ding)的影响，这(zhe)种(zhong)影(ying)响(xiang)主(zhu)要是(shi)钢材(cai)与淬(cui)火介(jie)质(zhi)之间的传热过(guo)程(cheng)的(de)不均匀(yun)性所(suo)导致的。
对于(yu)钛合金TC4来说(shuo)，变(bian)形(xing)温度(du)和(he)变形(xing)程(cheng)度(du)、变(bian)形速率是(shi)影(ying)响(xiang)其(qi)残余(yu)应力(li)的因素(su)，当变(bian)形的温(wen)度和(he)速(su)率(lv)越(yue)大时(shi)，锻(duan)件(jian)本身会动态回复，启(qi)动(dong)锻(duan)件(jian)的动态再结(jie)晶(jing)，这对(dui)改善(shan)锻件(jian)的(de)组(zu)织性(xing)能(neng)就会(hui)越有(you)利(li)。在实(shi)际(ji)生产(chan)过(guo)程中(zhong)，如(ru)图1，适当地提(ti)高锻(duan)件的变形温(wen)度和(he)变(bian)形速率(lv)，降低锻(duan)件的变形程(cheng)度(du)，能(neng)够降(jiang)低(di)锻件锻造(zao)过(guo)程中(zhong)产(chan)生(sheng)的残(can)余应(ying)力(li)，进(jin)而能(neng)提高产品(pin)的质(zhi)量[3]。当(dang)锻(duan)件的(de)变(bian)形(xing)程(cheng)度较(jiao)低时，TC4钛(tai)合(he)金锻件(jian)可以自主(zhu)动态(tai)回(hui)复，此(ci)时(shi)有(you)助(zhu)于降低锻(duan)件的(de)残余应(ying)力(li)，而(er)当锻(duan)件(jian)的变(bian)形(xing)程度升(sheng)高(gao)时(shi)，TC4钛合金锻件(jian)可以动态再(zai)结晶，此时会(hui)增加(jia)锻件的残(can)余(yu)应(ying)力(li)。由此(ci)，在选(xuan)择变(bian)形程度(du)时(shi)，应(ying)尽(jin)量降低(di)锻件(jian)的变形(xing)程度。
2、钛合金TC4的(de)耐腐(fu)性能
不同的(de)热处理工(gong)艺(yi)如(ru)退(tui)火(huo)、固(gu)溶、时效可(ke)以对(dui)钛合(he)金(jin)的组织(zhi)结构(gou)产(chan)生不同的(de)影(ying)响(xiang)，进(jin)而对钛(tai)合(he)金(jin)的(de)耐腐蚀性能(neng)也产生(sheng)影(ying)响。而(er)钛(tai)合(he)金TC4的(de)相组成(cheng)、化(hua)学(xue)元素成分组成、晶粒尺(chi)寸等都可以(yi)影(ying)响钛(tai)合金(jin)TC4的耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)能(neng)[4]。
随(sui)着(zhe)退(tui)火温(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)和(he)退火(huo)时(shi)间(jian)的(de)延(yan)长(zhang)，TC4钛合金等(deng)轴(zhou)相尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)（β相(xiang)含(han)量增(zeng)加，α相含(han)量(liang)减少）如表(biao)1所(suo)示，耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)能(neng)下(xia)降[5]。如图2所(suo)示(shi)，把(ba)元素(su)Cr和(he)Fe加(jia)入到钛(tai)合金(jin)TC4中(zhong)可以(yi)使马氏(shi)体(ti)转(zhuan)变温(wen)度下降(jiang)，进而提高β相(xiang)的(de)稳定(ding)性(xing)，提(ti)高(gao)钛合金TC4的耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性能(neng)[6]。固溶处(chu)理后得到的马氏体组(zu)织可(ke)以提(ti)高钛(tai)合(he)金(jin)材料的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性能(neng)，但是如果(guo)固溶温(wen)度下降时，固溶(rong)后不仅会(hui)得到马(ma)氏(shi)体(ti)组(zu)织(zhi)，还会(hui)有α片(pian)层组织(zhi)，此时钛(tai)合金(jin)的(de)耐腐(fu)性(xing)能(neng)就会随(sui)之下(xia)降(jiang)。因此这(zhe)个(ge)过程受(shou)固溶温(wen)度的影(ying)响。
钛(tai)合(he)金的耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性能主要是得益(yi)于(yu)钛合金的钝(dun)化膜，这(zhe)层(ceng)钝化膜(mo)对钛(tai)合(he)金(jin)有(you)很强(qiang)的(de)保(bao)护性，钝(dun)化(hua)膜是(shi)不同(tong)的氧(yang)化物(wu)组(zu)成(cheng)的(de)混合结构(gou)，但是其(qi)具(ju)体组(zu)成(cheng)成(cheng)分及变(bian)化还(hai)需要(yao)进一步分(fen)析研(yan)究[7]。当处于盐酸环境中(zhong)时，钛(tai)合金(jin)TC4发(fa)生(sheng)点蚀(shi)现(xian)象，这种(zhong)现(xian)象主要(yao)受(shou)TC4钛合(he)金(jin)表(biao)面(mian)的粗糙(cao)程度(du)影响(xiang)。如果(guo)在钛(tai)合(he)金(jin)TC4表(biao)面加(jia)上(shang)氧(yang)化物涂(tu)层(ceng)，也(ye)可(ke)以改变(bian)TC4钛合金的(de)腐(fu)蚀性(xing)能(neng)。氧化涂(tu)层(ceng)的耐(nai)蚀(shi)性主要(yao)受(shou)微孔数(shu)量、孔(kong)径、膜厚和成(cheng)分(fen)等因(yin)素(su)的影响，石墨烯(xi)的(de)加入(ru)主要(yao)改(gai)变(bian)了(le)氧化涂层(ceng)的成分和(he)结构，产生(sheng)了SiC和石墨烯，SiC和(he)石(shi)墨烯(xi)都(dou)能提高涂(tu)层(ceng)的(de)耐腐蚀(shi)性能(neng)。
海水温度(du)、压力(li)、pH、溶(rong)解氧含量均会(hui)影响材料(liao)的耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)，而(er)海洋中(zhong)的微生(sheng)物也(ye)是(shi)一个(ge)复(fu)杂的团(tuan)体，微(wei)生物(wu)的(de)附着(zhe)、新(xin)陈代谢对(dui)TC4钛(tai)合金(jin)材料(liao)的(de)影(ying)响也(ye)是一(yi)个(ge)未知(zhi)的(de)问题，需要进(jin)一(yi)步(bu)的(de)探(tan)讨(tao)研究(jiu)[8]。
3、钛合(he)金(jin)TC4的疲(pi)劳(lao)寿命
当(dang)TC4钛合(he)金棒的弹(dan)性模(mo)量、抗(kang)拉强度、屈(qu)服(fu)强度及(ji)断(duan)面收缩率增(zeng)长时(shi)，锻件的疲(pi)劳寿(shou)命也(ye)会随(sui)之(zhi)增加，他们之间为正相(xiang)关(guan)的关(guan)系。但是这(zhe)也(ye)是(shi)单(dan)因素(su)分(fen)析的结(jie)果，在(zai)实(shi)际(ji)生(sheng)产中，温(wen)度(du)和外部载(zai)荷(he)会使锻(duan)件(jian)产(chan)生残(can)余(yu)应(ying)力(li)，而产(chan)生的(de)残(can)余应(ying)力(li)随(sui)着外(wai)部(bu)环(huan)境(jing)的(de)变化释(shi)放出(chu)来(lai)，会(hui)加(jia)速锻(duan)件(jian)疲(pi)劳寿(shou)命的(de)终结(jie)。因(yin)此，综(zong)合各(ge)方面(mian)因(yin)素包(bao)括残余(yu)应力(li)、力学性能(neng)等对(dui)TC4钛(tai)合(he)金(jin)疲(pi)劳寿(shou)命进行(xing)深入(ru)研(yan)究探(tan)讨(tao)其(qi)作用机制是(shi)研究的一(yi)个方向(xiang)。
涂(tu)层(ceng)能(neng)够显著(zhu)提高(gao)钛合(he)金TC4的(de)疲劳(lao)寿(shou)命，不(bu)同(tong)条件(jian)下的涂层疲劳寿(shou)命(ming)也(ye)会不(bu)同，涂(tu)层的(de)缺陷会(hui)在(zai)合金(jin)表(biao)面形(xing)成(cheng)裂(lie)纹，降低(di)钛合金(jin)TC4的(de)疲(pi)劳(lao)寿命。对镍(nie)钛(tai)合(he)金(jin)来说(shuo)，通过研究(jiu)它的化(hua)学成分(fen)、表(biao)面涂层(ceng)、表面(mian)氧化、改(gai)进(jin)加(jia)工技术、热处理方(fang)式等(deng)方(fang)法(fa)，能够(gou)改(gai)善(shan)镍(nie)钛(tai)合(he)金(jin)的生物兼容(rong)性(xing)以(yi)及疲(pi)劳(lao)性能(neng)[9]，或(huo)能对(dui)钛(tai)合金(jin)的研究提供一定(ding)的思(si)路。
钛合(he)金表(biao)面(mian)以(yi)微(wei)米(mi)为单(dan)位的微划痕能(neng)显(xian)著降低(di)合(he)金(jin)材(cai)料的(de)疲(pi)劳寿(shou)命，使(shi)其从(cong)极高周疲(pi)劳降低(di)到(dao)高(gao)周疲劳(lao)，而相较(jiao)于(yu)划(hua)痕(hen)的(de)方向(xiang)和(he)长度对钛(tai)合金(jin)疲劳(lao)寿(shou)命(ming)产(chan)生无明显意义的(de)影响，划(hua)痕的(de)深(shen)度和宽度(du)则对钛(tai)合(he)金(jin)TC4的疲(pi)劳(lao)寿命(ming)产(chan)生了(le)显著的影(ying)响，这(zhe)对(dui)钛合金(jin)疲劳(lao)寿命的研(yan)究(jiu)也(ye)指明(ming)了(le)方(fang)向(xiang)。
4、钛(tai)合金TC4的(de)蠕(ru)变(bian)性能(neng)
蠕变的发生会(hui)导(dao)致(zhi)锻件(jian)的变(bian)形、破裂(lie)，影响锻(duan)件(jian)的(de)正(zheng)常运(yun)行(xing)，给(gei)工(gong)业生产(chan)、航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)、道路运输等带来安(an)全隐患及(ji)利(li)益(yi)损失(shi)。影响(xiang)钛(tai)合(he)金(jin)蠕变(bian)现(xian)象(xiang)的因(yin)素(su)有(you)多(duo)种(zhong)，钛(tai)合(he)金(jin)的蠕变行(xing)为不仅与外部(bu)服役环(huan)境有(you)关，还与合(he)金(jin)的(de)化学成分(fen)、加工(gong)工(gong)艺及(ji)锻(duan)件的尺寸大(da)小(xiao)、形状(zhuang)等有(you)关[10]。
在(zai)低应力(li)水平(ping)下，钛合金(jin)的(de)蠕变随(sui)着温(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而(er)变(bian)大(da)；在(zai)较(jiao)高(gao)的(de)应(ying)力(li)水平(ping)下，β锻(duan)造区钛(tai)合(he)金(jin)的(de)蠕(ru)变随着温(wen)度的升(sheng)高变(bian)大(da)幅(fu)度比(bi)较(jiao)大(da)，α+β锻造(zao)区钛合(he)金的(de)蠕变(bian)则相反，如(ru)图3所示，而(er)钛合(he)金(jin)的蠕变(bian)对锻(duan)造(zao)变(bian)形(xing)量则敏感(gan)度(du)不高(gao)。高温(wen)环境下，TC4钛(tai)合金的组(zu)织和性能(neng)都会(hui)发生变(bian)化，而(er)且(qie)由(you)于(yu)钛(tai)合金的敏(min)感(gan)性，需(xu)要(yao)锻件具(ju)有较(jiao)好(hao)的抗蠕变性(xing)能(neng)。
超(chao)细晶(jing)结(jie)构(gou)及(ji)非(fei)平(ping)衡(heng)相(xiang)的成(cheng)分也(ye)会影响钛合金TC4的蠕变性(xing)能(neng)，使得(de)钛(tai)合(he)金(jin)与经典(dian)的(de)蠕变幂定律相反(fan)，蠕(ru)变过(guo)程中(zhong)合金(jin)发(fa)生(sheng)了β-α的相变(bian)，进(jin)行(xing)了(le)合(he)金元素(su)的(de)重(zhong)新(xin)分布(bu)，降(jiang)低(di)了合(he)金(jin)的蠕(ru)变激(ji)活(huo)能，提(ti)高了合(he)金的(de)抗蠕变性(xing)能(neng)。
在室(shi)温条件(jian)下，外界(jie)压(ya)力(li)能(neng)够(gou)细化TC4钛(tai)合金(jin)组(zu)织，提(ti)高(gao)锻件的(de)抗(kang)塑(su)性(xing)变(bian)形能(neng)力，同时减少了(le)锻(duan)件(jian)的蠕(ru)变(bian)量，降(jiang)低(di)了(le)材料的蠕变(bian)速率[12]。另外，硬(ying)度(du)的增加也(ye)能提(ti)高材(cai)料(liao)的抗(kang)蠕(ru)变能(neng)力(li)[13]。不(bu)同的(de)应(ying)力(li)水平，钛(tai)合金锻件(jian)的(de)蠕(ru)变残(can)余变(bian)量(liang)及蠕(ru)变(bian)速率也(ye)不(bu)相同(tong)，如图4所示(shi)，其随着应(ying)力水平(ping)的提(ti)高而增(zeng)加(jia)，但是他(ta)们的(de)变化(hua)趋(qu)势(shi)相同(tong)[14]。
在(zai)较高的应(ying)力(li)条件下(xia)，相(xiang)对于快速的(de)变(bian)形(xing)速度，材(cai)料的(de)恢复(fu)过(guo)程(cheng)就会变(bian)得很(hen)慢甚至(zhi)没(mei)有效果。蠕(ru)变(bian)过程中的(de)内应力(li)在(zai)初始(shi)阶段(duan)迅(xun)速升高，而(er)在稳定阶(jie)段则(ze)趋(qu)于平稳(wen)，并且内应(ying)力会随(sui)着(zhe)外加(jia)应(ying)力的增(zeng)大而(er)增大(da)。
不同(tong)的TC4钛合(he)金(jin)材料(liao)中的(de)元素(su)化(hua)学成分不(bu)同，添(tian)加稀(xi)土元(yuan)素(su)之后(hou)可(ke)以改(gai)善(shan)钛(tai)合(he)金材料(liao)的高(gao)温蠕变(bian)性(xing)能(neng)。添加(jia)的稀(xi)土元素(su)不(bu)同，带(dai)来(lai)的影(ying)响也(ye)不尽相(xiang)同(tong)，比如(ru)在(zai)Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系(xi)的合金中添加(jia)稀(xi)土(tu)元素(su)Ce之(zhi)后(hou)，合(he)金的抗(kang)蠕(ru)变性能反而有所(suo)下(xia)降(jiang)[15]。在(zai)钛(tai)合(he)金中(zhong)加(jia)入(ru)稀土元素(su)主(zhu)要通(tong)过(guo)三(san)个(ge)方(fang)面(mian)发挥作用进(jin)而(er)改善其蠕(ru)变性能(neng)，分别是稀土(tu)元(yuan)素(su)发(fa)生内(nei)氧(yang)化降低合(he)金基体氧含量(liang)、抵(di)制合(he)金α相的析(xi)出长大(da)及促(cu)使细小(xiao)硅(gui)化物(wu)的均匀(yun)析(xi)出(chu)[16]。目前关(guan)于关于(yu)Si、Sc对钛合(he)金蠕(ru)变性能的影(ying)响(xiang)还需(xu)要进(jin)一步研究，尤(you)其是稀土(tu)元素(su)Sc。故(gu)针对稀(xi)土(tu)元素(su)对钛(tai)合(he)金蠕(ru)变性能的(de)影响及(ji)作用(yong)机理研究是(shi)未来(lai)的研究方(fang)向之一。
5、结语(yu)
综(zong)上(shang)所述，在(zai)TC4钛合(he)金锻件的(de)加(jia)工(gong)及使(shi)用过(guo)程(cheng)中(zhong)，不仅要(yao)关(guan)注研究(jiu)钛(tai)合(he)金(jin)TC4的(de)组(zu)织(zhi)变化(hua)及强度(du)、硬(ying)度(du)、韧(ren)性等(deng)力学性能变化(hua)，还(hai)要结合钛(tai)合金TC4的残余应力(li)变化、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性(xing)能(neng)、疲(pi)劳周期(qi)及(ji)蠕(ru)变(bian)现(xian)象等综(zong)合(he)研(yan)究(jiu)钛合金(jin)TC4的工(gong)艺参数，调整(zheng)锻(duan)件的服(fu)役(yi)质量和工作(zuo)效(xiao)率，进(jin)而促(cu)进钛合金(jin)TC4在(zai)各(ge)行(xing)各(ge)业(ye)的广泛(fan)应用(yong)。
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[16]邓同(tong)生,李(li)尚(shang),卢娇,等(deng).稀(xi)土元(yuan)素(su)对(dui)钛(tai)合金(jin)蠕变性能(neng)影响(xiang)规(gui)律(lv)综述(shu)[J].有(you)色(se)金(jin)属(shu)工(gong)程(cheng),2018,9(6):94-98.
【作者简(jian)介(jie)】
陈卫东（1967-），男，汉族(zu)，河(he)南济源人，本(ben)科(ke)，高级工程(cheng)师(shi)，研究方向(xiang)：金(jin)属(shu)材料。
【通讯作者(zhe)】
孔(kong)永(yong)平(ping)（1979-），男，汉(han)族(zu)，河南(nan)济(ji)源(yuan)人，本(ben)科(ke)，高(gao)级(ji)工程师，研究(jiu)方向：化工材(cai)料。
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