Ti -6Al-4V(以下简称TC4)是美国于1945年.开发出的一种两相钛合金，由于其良好的综合性能及工艺特性,成为钛工业中的王牌合金，被广泛的应用于化工、电力、航空航天、体育器械等领域。迄今为止,虽然TC4已经问世了70多年的时间,但是由于人们对于材料设计概念的变化，以及新技术、新应用领域的开发，TC4钛合金仍然是当今钛合金研究中的热点合金。目前成本问题是限制钛合金应用的一个重要因素,受此影响,低成本的合金化设计以及近净成型技术尤其是增材制造技术的开发是目前钛合金领域一个非常关注的话题。本文简要介绍了近些年来围绕着TC4钛合金的成分改进、近净成型工艺开发进展。

1、成分设计与开发

合金的成分从根本上决定了合金的性能,随着现今对于材料性能要求的日益提高,以及材料设计概念的改变,人们对于TC4合金进行了不同程度的成分优化再设计,以期满足不同的需求。针对TC4的成分优化再设计有很多,例如早期的TIMETAL62S(Ti- 6Al - 2Fe - 0.1Si)、Ti8LC(Ti - Al - Fe -Mo)、Ti12LC(Ti- Al- Fe- Mo)等(3.4。近些年来也相继发展了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改型钛合金。针对TC4改型的目的主要有两个，一个是出于性能考虑,尤其是其动态力学性能。例如Ti575合金,相比于TC4,该合金降低了Al当量,提高了Mo当量,并加入了少量的Si来提高合金的强度。其抗拉强度与屈服强度均高于TC4,并且在抗拉强度1 200 MPa时，延伸率可达到10.5%,比强度比TC4高出8%.并且相比于TC4合金,该合金具有更好的疲劳性能和可锻性。针对TC4改型的另一个目的在于降低成本。TIMETAL CL4、ATI 425都是在TC4的基础上降低了AI、V的含量并加人一-定量的Fe和0元素,在保证强度的同时,改善了TC4合金的冷加工性,从而降低了成本。Ti407 合金具有更低的Al当量,通过牺牲材料的强度来提高其加工性能,该合金设计目的主要是为了部分取代TC4,降低商用飞机用材的成本。Ti-54M相比于TC4,含有较低的Al当量,并且加入了少量的Mo、Fe元素来降低β转变温度。该合金相比于TC4,具有更好的加工性和成形性,其超塑成形能力优于TC4材料,可以显著降低加工成本。

2、近净成型工艺进展

钛合金的成本是决定是否应用此种材料的重要因素。近净成型技术是一种无切削或者少切削的工艺，主要包含AM(增材制造)、PM(粉末冶金)、SPF(超塑成形)以及精密铸造技术等。由于其材料利用率高，可以有效节省加工成本,是目前钛合金制备及加工领域的--个重要发展方向。

2.1 增材制造技术

金属增材制造技术是目前钛合金制备领域的一个热点方向,各个国家也分别对其在钛合金方面(特别是TC4)的研究与应用做了大量的工作。金属增材制造技术是一个非常宽泛的概念,主要包含以激光立体成形技术(LSF)为代表的同步送粉(送丝)高能束(激光、电子束、电弧等)熔覆技术，和以选区激光熔化技术( SLM)为代表的粉末床成形技术[61。表1给出了LSF与SLM制造的典型TC4与锻态拉伸性能对比7-9]。从表1可以看出,目前LSF与SLM成形的TC4零件拉伸性能均可满足锻态标准。对于以LSF为代表的同步送粉技术，其可以和各种传统加工工艺结合,从而有效地提高致密度,因此可以获得与退火态锻件基本相当的高周疲劳性能。而对于SLM工艺，由于其孔隙难以完全消除，因此会对于拉伸塑形及疲劳性能产生不良的影响。目前限制增材制造技术应用的因素有很多,例如高昂的粉末成本、特殊的组织形貌与织构取向、低的疲劳性能、大的残余应力等等。近些年来,有大量的研究试图克服这些缺陷,例如通过引人形变的方式来弱化织构、后续处理来改善拉伸和疲劳性能、预热处理减小残余应力、优化工艺参数以获得最小的孔隙率等等。但是,受制于增材制造特有的工艺特性，这些措施起到的效果都比较有限,而且会进一步增加成本,抵消增材制造技术的优势。因此，对于增材制造技术的发展，开发其专用合金势在必行。

2.2 粉末冶金技术

传统的BE(混合元素粉末冶金法)工艺制备的钛合金往往会因为残留的孔洞、高的氧含量以及粗大的组织,对其力学性能产生不利影响。通常的做法是利用粉末锻造工艺，来减小甚至完全消除孔隙，.细化组织,但这种工艺无疑增加了成本,并且抵消了PM近净成型的优势。近些年来,发展了一种基于BE的新型工艺HSPT(氢烧结和相转变)。该工艺结合了THP(热氢处理技术)和BE的优点,其工艺流程图如图1所示3。该工艺采用可控的氢气作为保护气体,并利用H元素的可逆合金化作用来细化晶粒。利用该工艺制备的TC4合金致密度可以达到99%以上，并且烧结后的组织为超细晶结构,明显提高了合金的静态拉伸性能[4(相比于真空烧结)。而且经过简单的热处理工艺(无需热加工)即可获得类锻态组织(双态组织和等轴组织),且其拉伸性能明显优于锻态组织。但是,目前由于人们对于(T -6Al-4V)-xH相图缺乏进--步的理解,该相图并没有很好地建立起来,限制了该工艺的进一步优化研究。而且,有文献报道,通过该工艺制备下的TC4工件,氧含量偏高,对其性能会产生一定的影响。

有学者利用粉末中混人稀土元素的方式成功地缓和了PM工艺中0元素的不利影响,因此如果可以有效利用粉末中混合稀土元素的方式来改善氧的不利影响,无疑是对此种新型工艺非常有吸引力的。总而言之,由于HSPT工艺粉末无需预合金化，后续经过简单的热处理即可获得锻态组织，可以显著地降低PM工艺的成本，对于大批量生产复杂结构的小型件是一种非常有吸引力的工艺。

2.3 超塑成形技术

超塑成形技术(SPF)是一种利用薄板材料的超塑性来成形的工艺，其优点是可以成形复杂件,零件表面质量好。普通的TC4材料的超塑性成型温度在900℃以上,所需应变速率低于10-3-1,因此,其长时间的成型时间、高的成型温度限制了其在批量生产方面的应用。传统的解决方法是利用细化晶粒来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)可以将成型温度降低到775℃。但是这种超细晶结构的制备无疑又增加了零件制造的成本。HP. (热成型) +SPF是一种新型的类超塑成形工艺,其原理如图2所示，材料先在低于超塑成形温度下进行一-定量的预变形,随后在一-定的气压下进行吹塑成形。有学者已经利用这种工艺成功地制备出了TC4零件，并将成型温度由原来的900C降低到了800℃,成型时间由120min降低到了16min。但是,目前关于此工艺的研究报道很少，而且对于如何有效控制预变形阶段的升温以及成形阶段的氧化问题目前还没有相应的报导。

2.4 精密铸造技术

由于铸造成本的降低和钛合金铸造质量和产能的提高,铸造钛零配件的使用量是呈上升趋势的,并且目前在航空航天工业中98%以上的铸造结构件都是采用熔模精密铸造技术。对于高性能钛合金大型整体精铸件的生产现今大多数是采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注出来的。但是这些陶瓷模具在高温下会与钛溶液反应，在铸件表面形成a层,随后必须加以酸洗。即使采用冷坩埚感应熔炼+离心铸造的方式可以有效降低这种富氧α层的厚度,但仍不能做到完全消除。为了避免这种现象以及出于规模化的考虑,近些年来正在积极地研究和发展钛合金的永久模铸造技术。目前已经真正获得实用化的技术是真空压铸技术,但现阶段只能批量生产- .些简单形状的钛铸件。限制钛铸造永久铸模的主要难点在于当获得适宜的过热度来满足良好充填性的同时,要使熔融钛与铸模之间的相互作用最小采用计算机模拟、热等静压和β热处理等技术。例如美国成功通过上述综合工艺获得了与锻件静力和疲劳性能相当的大型TC4精铸件,并已成功应用于F/A-22、V -22等军用飞机。

3、结语

TC4钛合金由于其优异的综合性能，在今天仍然是钛工业中的主流合金。目前限制其普及化及民用化的主要问题仍然为成本问题。而且我国虽然在钛合金。另外,为了消除传统铸造钛合金的铸造缺陷、改善合金的性能，常常在精铸工艺上研究水平大体与国外接近,但是在钛合金制备技术、加工技术、装备水平等方面与美、俄等国家仍存在相当大的差距。例如工业生产中经常存在产品性能不稳定、成材率低等- -系列问题，而这些额外因素又进-步增加了钛合金的成本。因此拟提出如下建议:

1）注重制备及加工技术的开发,例如精锻、模锻技术、连铸连轧技术、尤其是近净成型技术的开发应用等等。

2）扩大计算机模拟技术在材料成型与加工领域的应用,减小工艺设计周期。

3）提高加工过程中的自动控制水平,提高产品的稳定性。

4）分析研究其特殊性能,找出其有别于其它工程材料的优势,扩大其在新应用领域的应用。

本文作者：杨佩；康聪；李维

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