1. 鈦合金絲加工工藝有那些
鈦及鈦合金絲由於具有良好的耐蝕性、比強度高、無磁性、與人體的親和性好和形狀記憶功能等特點, 因而不但廣泛應用於航空航天等高技術領域, 而且正越來越多地進入各種民用領域。例如在航天領域廣泛應用的鈦合金絲緊固件, 不僅可以達到減重、耐腐蝕的目的, 而且是鈦合金、碳纖維復合材料等結構件必需的連接件；汽車領域採用鈦合金絲製成的彈簧, 同鋼彈簧相比, 可減重60%~70%；醫療領域採用的鈦合金絲由於具有無毒、質輕、耐生物腐蝕及良好的生物相容性等特性而受到醫生及患者的青睞；在海水養殖方面, 用鈦絲織成的養殖網使用15 年後仍毫無損壞。
鈦及鈦合金屬於難加工材料, 由於鈦的屈強比較高, 一般為0.70~0.95, 彈性較好, 變形抗力大, 而其彈性模量相對較低, 故加工時變形抗力大, 回彈性也較嚴重；而且在加工過程中的粘著問題對製品的表面質量也產生了極為惡劣的影響。目前, 鈦合金絲材的制備工藝通過不斷改進、完善,並採用各種新興技術使鈦合金絲材產品的質量迅速提高, 種類不斷增加, 應用領域進一步擴大。拉拔仍是現今生產鈦合金絲所採用的最普遍方法,通常絲材的生產工藝流程為: 原料→鑄錠熔煉→鍛造→軋制→拉拔→熱處理→檢驗→成品。本文以絲材的生產工藝流程為主線, 重點介紹絲材的拉伸工藝, 簡單介紹絲坯的制備工藝(熔煉、鍛造、軋制)以及絲材加工技術。
1 絲坯制備工藝
1.1 熔煉工藝
鈦是非常活潑的金屬, 在液態下與氧、氮、氫及碳的反應相當快, 因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體(Ar 或Ne)保護下進行。熔煉技術主要有真空自耗電極電弧爐熔煉、真空自耗電極凝殼爐熔煉、電子束冷床爐熔煉、等離子冷床爐熔煉、真空感應爐熔煉等。從耗電量、熔化速度、成本技術經濟指標對比來看, 前兩種仍是目前最經濟適用的熔煉方法。但真空電弧熔煉對消除鈦合金中高密度夾雜和低密度夾雜的能力有限, 而冷床爐熔煉在這方面有獨特的優勢。熔煉鑄錠的質量將影響後續加工工藝以及成品質量, 可通過精選原材料, 選擇合理的熔煉工藝參數(熔煉電流、電弧電壓、真空度、漏氣率、冷卻速度、攪拌磁場強度), 嚴格控制工藝過程, 得到高質量的鑄錠。由於絲材尺寸較小, 加工工藝比較復雜, 對合金內部冶金缺陷(偏析、夾雜)的敏感性增加, 因此熔煉工藝對精確控製成分, 減少合金中的雜質含量, 確保絲材優良的性能非常關鍵。
1.2 鍛造工藝
鍛造的目的是改善組織、提高金屬的綜合性能, 為軋制工序提供坯料。其工序基本流程為: 鑄錠→加熱→開坯鍛造→冷卻→表面清理→變形坯料→加熱→鍛棒→檢驗→成品。
鑄錠和變形坯料的加熱應選擇合適的加熱溫度、加熱速度和加熱時間, 並控制好爐內氣氛, 才能保證產品質量。加熱溫度應選擇變形塑性好、鍛件質量高、變形抗力低的溫度范圍。鑄錠的開坯加熱是在(α+β)/β相變點以上100~200℃(β鈦合金除外)的范圍內; 經過鍛造變形的坯料, 粗大的鑄造組織已得到一定程度的破碎, 內部組織得到改善, 塑性提高, 因此再鍛造加熱溫度可隨退火次數增加而逐漸降低; 成品前的鍛造加熱, 為防止β脆性的發生, 獲得良好的組織及綜合性能, 對於α合金和α+β合金應在相變點以下的溫度進行, 對於β合金, 實際上是在β區加熱和鍛造的。由於鈦的導熱系數低, 在室溫下為0.0397K/cm·s·℃, 約是中碳鋼的1/4, 在高溫時卻又相近。因此, 在較低溫度加熱時應採用慢速, 避免加熱過程中表層與中心層形成很大溫度差。在高溫時, 鈦的導熱系數增加, 可採用稍快的速度加熱。
鍛造加工中, 變形溫度、變形量以及變形速度對鍛件質量有重要的影響, 必須正確控制。如前所說, 一般將鍛前的鑄錠加熱到相變點以上, 因為在此溫度下變形抗力低、塑性高, 但若鑄錠開坯的變形量過低, 鑄態組織將不能得到有效地破碎, 其性能較差, 也將直接影響到後續加工。鍛造過程中,若變形量選擇不當將嚴重影響合金的組織與性能。如TC4 合金, 當加熱溫度高於相變點之上, 而變形量不夠大時, 往往得到粗大的片狀或針狀α間β組織, 也稱粗大魏氏組織。這種組織的強度變化不大, 但塑性顯著下降。當變形量增大時則出現歪扭程度不同的條狀α+β組織, 稱為網籃狀組織。這種組織的高溫性能和斷裂韌性有所改善, 而塑性有所下降。應當選擇合適的變形量, 得到較細小的具有一定量的等軸初生α加轉變的β組織。這種組織的綜合性能較好。變形速度對鍛件質量也有很重要的影響, 當變形速度過快時, 不僅使變形抗力提高, 而且變形熱效應使鍛件局部或整體溫度過高, 得到的鍛件組織和綜合性能較差。最後須指出的是: 變形溫度、變形速度和變形量絕不是孤立的影響鍛件的質量。例如加熱溫度稍高, 但是用足夠大的變形量和較低的變形速度也可以得到較好的組織和性能。
1.3 軋制工藝
軋制加工主要為絲材拉伸提供絲坯, 進一步改善合金組織, 提高金屬的綜合性能。同鍛造工藝一樣, 對絲材的組織以及表面質量都有重要的影響。其主要工藝參數有: 加熱溫度、軋制速度和熱軋加工率。
(1) 加熱溫度
經鍛造加工後, 坯料組織均勻性和緻密性已經大大提高, 故加熱溫度可略低於鍛造溫度。α+β型合金的軋前加熱溫度一般都稍低於(α+β)/β相變溫度, 即在(α+β)相區進行加熱, 使軋制過程在(α+β)相區完成, 保證產品的組織性能較好; α型合金的加熱溫度也在(α+β)相區內, 此時熱加工性能良好且室溫性能較好; β型合金的加熱溫度在高於β相變轉變溫度以上進行, 使其變形在β相區完成, 此時合金的變形抗力小、塑性較好。不同的加熱溫度對合金的組織性能有很大影響, 如對TC9 棒材在1050 ℃軋制時, 由於其軋制溫度在β轉變溫度以上, 得到的是針狀組織, 性能較差。在α+β相區(980 ℃以下)軋制時, 得到的是等軸組織, 其性能較好。
(2) 軋制速度
目前, 鈦及其合金軋制時, 由於產量不大, 鈦製品長度較短, 大多採用手工操作, 所以不適宜高速軋制。而且軋速過快將造成軋件快速升溫, 影響最終產品組織性能。理論計算表明: 軋制速度大於12m/s後, 軋件升溫與軋制速度成正比增加; 當軋制速度大於30m/s 時, 終軋溫度與加熱溫度無關。
(3) 熱軋加工率
由於變形量的不同, 合金的組織和性能有明顯的差別。如在920 ℃下熱軋的TC4 棒材, 在28%變形量下軋制, 其組織基本上是α相被β相網格分割成等軸狀, 這種組織性能較差；在變形量為44%時, β相網格已被破碎, α相粒度較大, 這種組織性能也較差; 在變形量為66%~78%時, 有大致相同的組織, 以α相為基體, 加上細小分散的α+β組織, 這種組織性能較好。
為充分加工與細化組織, 提高材料性能, 在20世紀70年代,發明了步進軋制工藝,它是一種將軋制和鍛造兩種變形特點結合在一起的加工方式, 具有鍛造的大變形和軋制的高速度等特點。借鑒國外少數先進國家絲材的制備工藝流程為:鑄錠→開坯鍛造→熱連軋成線材。秦伯祥等人研究了採用合金鋼熱連軋機組, 生產大卷重10mm純鈦高速線材工藝, 並對產品組織、性能、外形、尺寸公差進行了分析討論, 研究表明, 用該方法生產的產品力學性能良好, 組織均勻一致, 而且表面質量良好。
2 拉伸工藝
2.1 拉伸溫度
對冷加工性能差的鈦合金常用熱拉伸進行加工, 拉伸溫度對絲材的組織、性能、間隙元素含量以及表面質量均有重要影響。朱恩科等人對Ti2Cu鈦合金絲材拉伸方法的研究結果表明, Ti2Cu 鈦合金絲材不適宜冷拉伸, 而熱拉伸方法能夠順利拉制出合格的Ti2Cu 鈦合金絲材。在拉伸過程中C、O、N 和H 的增加量, 可以通過鹼、酸洗和真空退火消除。圖1 為在冷拉伸與熱拉伸下Ti2Cu 鈦合金絲材的拉伸性能,可以看出,冷拉伸時,絲材的抗拉強度隨直徑減小而增加, 伸長率隨直徑減小而迅速降低。熱拉伸在8mm~6.19mm區間抗拉強度隨直徑減小迅速增加, 伸長率顯著下降, 這是由於只發生了部分再結晶, 硬化作用大於軟化作用; 在6.19 mm~1.15mm 區間抗拉強度和伸長率基本保持不變, 這是由於變形造成的硬化和回復再結晶引起的軟化作用達到了動態平衡。
2.2 拉伸道次加工率
熱拉伸時, 道次加工率的大小主要取決於加工溫度和絲材直徑。對於在室溫下的冷拉伸, 道次加工率主要取決於氧化、塗層的質量和潤滑劑的好壞。表1為室溫下拉伸時, 隨直徑變化道次加工率分配的一般規范。
2.3 拉伸應力
在拉伸時, 拉伸應力應小於被拉出金屬材料的屈服強度, 這是實現拉伸過程的基本條件。影響拉伸應力的因素很多, 如拉伸溫度、拉伸速度、加工率以及模具的圓錐角等等。加工率的增加、拉伸溫度的降低、圓錐角過大或過小都將引起拉伸應力的增大; 在直線拉伸時, 拉伸速度對拉伸應力無顯著改變, 而在絲材以直線式通過模孔後向牽引絞盤上纏繞時, 拉伸速度超過一定范圍將引起拉伸應力的增大。為減小拉伸過程中的拉伸應力,可通過潤滑、減小變形量、提高金屬變形塑性等方法。為此, 人們研究了多種加工技術, 其中包括輥模拉伸、超聲振動拉伸等方法。
2.4 拉伸潤滑
由於鈦合金拉伸時具有粘附模具的傾向, 造成拉絲困難, 因此除了必須採用良好的潤滑劑之外, 還應採取塗層、氧化等其他增強潤滑措施。鈦合金拉伸前大多進行氧化、塗層處理。採用的塗料有石墨乳、鹽石灰、鈣基塗層等等, 選擇塗層的依據是不僅與所加工的絲材要結合緊密, 與潤滑劑之間要有良好的浸潤性, 而且要便於清除。拉伸工藝條件不同, 使用的潤滑劑也不相同。在鈦絲拉伸工藝中, 採用的潤滑劑有工業皂粉、石墨乳以及肥皂粉與其他材料的混合物, 應選擇與塗層有良好浸潤性、熱穩定性較好的潤滑劑。如在TB2 鈦合金絲材加工中, 塗層選擇鈣基塗層, 輔以自製潤滑劑(HTK-SM), 可以獲得令人滿意的絲材表面。為增強潤滑效果, 還常採用增壓模來提高絲材的表面質量。
2.5 拉伸模
拉絲模具材質主要有硬質合金、天然金剛石、合成金剛石、聚晶金剛石。細絲生產中常用單晶天然金剛石模。天然金剛石模具雖然造價高, 但經久耐用, 尺寸變化小, 不易出現粘拉磨損、絲材劃傷等。為使待加工的絲材順利通過模具, 實現變形的目的, 形成所需的規格尺寸, 要求加工後的模具形狀有利於潤滑並減少斷絲現象, 有利於產生的變形熱量散發得快。由於經過一段時間的拉伸,模具表面發生磨損現象, 即表面因摩擦、撕裂等使模具表面有物質脫落, 會因此劃傷絲材表面。因此需要提高模具光潔度, 減少模具缺陷, 加強對模
具的管理控制。
2.6 表面處理
在絲材拉伸過程中, 表面處理也是影響絲材表面質量及組織性能的影響因素。其方式有酸洗、機械拋光、電解拋光、磷化、氧化、電鍍等。西北有色金屬研究院與有研億金新材料股份有限公司分別對鈦鉭合金絲與鈦鎳合金絲進行了表面處理的研究, 結果表明, 酸洗、機械拋光與電解拋光拉伸試樣均表現為韌性斷裂, 但電解拋光由於減少了試樣表面裂紋源而有效改善了鈦鎳合金絲材的力學性能, 而酸洗由於減少了表面夾雜物對拉伸的影響, 表現出了比機械拋光更好的綜合性能。磷化、氧化處理由於其磷化層和氧化層具有較高的硬度, 可以有效地保證絲材拉伸過程中表面不被劃傷, 但在拉伸過程中會出現表面和心部變形不協調性, 容易在表面出現裂紋, 導致材料斷裂。電鍍後的絲材雖然表面光潔, 但由於易發生氫脆現象, 試樣表現為脆性斷裂, 材料的力學性能顯著降低。
2.7 熱處理工藝
鈦及鈦合金絲熱處理時應用最多的是退火,包括中間退火和成品退火, 其目的是提高絲材繼續拉伸的加工塑性和達到所要求的成品性能。在制定退火工藝時, 不僅要考慮生產的具體條件, 更重要的應考慮金屬的力學性能與變形程度、退火溫度之間的關系。如工業純鈦, 隨著加工率的增加, 伸長率下降, 而抗拉強度升高, 說明冷加工硬化快, 因此必須進行中間退火。絲材成品的退火溫度應根據所要求的成品性能來選擇, 以達到最佳的性能匹配。如Ti-2Al-2.5Zr 絲材的優選真空退火溫度在700~850 ℃, 在這區間內, 伸長率和抗拉性能均能達到絲材的要求。表2與表3為鈦及鈦合金絲的一般退火規范, 可以看出, 絲材的退火制度還應考慮絲材的尺寸。實際應用中, 應根據合金成分以及加工工藝, 進行試驗研究, 來選擇最佳退火工藝。
除退火工藝外, 為達到各種用途所需要的性能, 還常常需要進行固溶時效等熱處理。如眼鏡架用Ti-22V-4Al 合金絲, 經780℃×30min 退火處理, 其組織均勻, 伸長率達20%以上; 再經520℃×4 h 時效處理, 維氏硬度達到2800MPa, 可達到眼鏡架用絲材對材料硬度的技術要求。
3 加工技術
傳統的固定模拉伸(即常規拉伸)有著本身固有的缺陷, 其突出問題是模具與變形金屬接觸面的摩擦以及伴隨產生的熱效應。為此, 人們發明了多種加工技術來解決上述問題。
(1) 輥模拉伸: 該技術結合了傳統的軋制與拉伸的特點, 減少了拉拔力, 增加了道次加工率,降低了加工硬化程度。由於輥模拉伸是在由非傳動的、自由旋轉的輥輪組成的孔型中拉伸, 將固定模拉伸時材料與模孔的大部分滑動摩擦轉變為非常小的滾動摩擦, 從而大幅度減小拉伸摩擦力。輥模拉伸的缺點是尺寸精度沒有固定模拉伸高, 適用於粗拉絲, 而在細拉絲中用固定模拉伸進行精整。
(2) 超聲振動拉伸: 該方法是從20世紀50年代發展起來的,拉伸時,對拉伸模施以超聲振動,可以有效降低拉伸力, 提高道次加工率。
(3) 無模拉伸: 該工藝是採用感應線圈或激光使絲材局部加熱軟化, 並施加張力使絲材變細。其優點是不需要拉伸模和潤滑劑, 變形率大, 效率高, 缺點是成品尺寸均勻性差, 質量不穩定。
(4) 增壓模拉伸: 該工藝是指在拉伸模前安裝增壓噴嘴裝置, 在絲材拉伸時, 能造成自動增壓強制潤滑效果的方法。其優點是斷絲頻率減少4/5、拉絲模壽命提高20 倍以上、改善表面質量等。
(5) 鍍層- 包套集束拉伸: 該方法首先在鈦絲表面鍍一層低碳鋼, 再將鍍好的鈦絲集束裝入低碳鋼管內, 然後進行集束拉伸加工並進行中間退火, 加工到最終尺寸後, 用硫酸酸洗將低碳鋼包套和鍍層除去。其優點是效率高、生產成本低。
(6) 包套- 碎屑擠壓: 該工藝是日本東北大學開發的, 主要用於TiNi 形狀記憶合金絲的加工,可提高產品質量、降低生產成本。首先通過包覆軋制制備由不同金屬片組成的多層復合片材, 各種金屬層的厚度比取決於所確定的化學成分, 然後把軋成的包覆片切成碎屑, 將切成的碎屑裝填到容器中製成坯料, 並將坯料擠壓成細棒, 接著再加工成細絲, 最後通過熱擴散處理, 將復合絲轉化成想要得到的金屬間化合物絲材。
(7) 四輥絲材軋機連軋生產絲材: 這種軋機是由四個軋輥組成一個圓的孔形, 工作時由一個主動輥帶動另外三個輥轉動。多個這樣的機架組成連軋機組可進行鈦合金絲材的生產, 從而大幅度提高了絲材的生產率和成品率。
4 結語
鈦及鈦合金絲材應用廣泛, 但其昂貴的價格是阻礙其應用的主要障礙, 需要開發並普及絲材制備新工藝, 以降低絲材加工成本。國外對絲材加工技術研究報道較多, 並且採用了很多新技術,因此國外的鈦合金絲材產品質量好、規格多。而國內鈦合金絲材生產技術仍然較落後, 生產流程長、效率低、成本高是目前需要解決的問題。因此我國應加大對鈦合金絲材加工的研究投入, 盡快提高在該領域的技術水平和裝備水平, 生產出質優價廉的鈦合金絲材產品, 以適應市場的需求。
2. 鈦合金（TA、TC、TB）闡述熱處理工藝
鈦的熱處理方法
一.鈦的基本熱處理:
工業純鈦是單相α 型組織,雖然在890℃以上有α-β 的多型體轉變,但由於
相變特點決定了它的強化效應比較弱,所以不能用調質等熱處理提高工業純鈦的
機械強度.工業純鈦唯一的熱處理就是退火.它的主要退火方法有三種：1 再結
晶退火 2 消應力退火 3 真空退火.前兩種的目的都是消除應力和加工硬化效應,
以恢復塑性和成型能力.
工業純鈦在材料生產過程中加工硬度效應很大.圖2-26 所示為經不同冷加
工後,TA2 屈服強度的升高,因此在鈦材生產過程中,經冷、熱加工後,為了恢
復塑性,得到穩定的細晶粒組織和均勻的機械性能,應進行再結晶退火.工業純
鈦的再結晶溫度為550-650℃,因此再結晶退火溫度應高於再結晶溫度,但低於
α-β 相的轉變溫度.在650-700℃退火可獲得最高的綜合機械性能（因高於700℃
的退火將引起晶粒粗大,導致機械性能下降）.退火材料的冷加工硬化一般經
10-20 分鍾退火就能消除.這種熱處理一般在鈦材生產單位進行.為了減少高溫
熱處理的氣體污染並進一步脫除鈦材在熱加工過程中所吸收的氫氣,目前一般鈦
材生產廠家都要求真空氣氛下的退火處理.
為了消除鈦材在加工過程（如焊接、爆炸復合、製造過程中的輕度冷變形）
中的殘余應力,應進行消應力熱處理.
消應力退火一般不需要在真空或氬氣氣氛中進行,只要保持爐內氣氛為微氧
化性即可.
二.鈦及鈦合金的熱處理:
為了便於進行機械工業加並得到具有一定性能的鈦和鈦合金,以滿足各種
產品對材料性能的要求,需要對鈦及鈦合金進行熱處理.
1．工業純鈦（TA1、TA2、TA3）的熱處理
α-鈦合金從高溫冷卻到室溫時,金相組織幾乎全是α 相,不能起強化作用,
因此,目前對α-鈦只需要進行消應力退火、再結晶退火和真空退火處理.前
兩種是在微氧化爐中進行,而後者則應在真空爐中進行.
（一）消應力退火
為了消除鈦和鈦合金在熔鑄、冷加工、機械加工及焊接等工藝過程中所產生
的內應力,以便於以後加工,並避免在使用過程中由於內應力存在而引起開裂破
壞,對α-鈦應進行消除應力退火處理.消除應力退火溫度不能過高、過低,因為
過高引起晶粒粗化,產生不必要的相變而影響機械性能,過低又會使應力得不到
消除,所以,一般是選在再結晶溫度以下.對於工業純鈦來說,消除應力退火的
加熱溫度為500-600℃.加熱時間應根據工件的厚度及保溫時間來確定.為了提
高經濟效果並防止不必要的氧化,應選擇能消除大部分內應力的最短時間.工業
純鈦消除應力退火的保溫時間為15-60 分鍾,冷卻方式一般採用空冷.
（二）再結晶退火（完全退火）
α-鈦大部分在退火狀態下使用,退火可降低強度、提高塑性,得到較好的綜
合性能.為了盡可能減少在熱處理過程中氣體對鈦材表面污染,熱處理溫度盡可
能選得低些.工業純鈦的退火溫度高於再結晶溫度,但低於α 向β 相轉變的溫度
120-200℃,這時所得到的是細晶粒組織.加熱時間視工件厚度而定,冷卻方式
一般採用空冷.對於工業純鈦來說,再結晶退火的加熱溫度為680-700℃,保溫
時間為30-120 分鍾.規范的選取要根據實際情況來定,通常加熱溫度高時,保
溫時間要短些.
需要指出的是,退火溫度高於700℃時,而且保溫時間長時,將引起晶粒粗
化,導致機械性能下降,同時,晶粒一旦粗化,用現有的任何熱處理方法都難以
使之細化.為了避免晶粒粗化,可採取下列兩種措施：
1）盡可能將退火溫度選在700℃以下.
2） 退火溫度如果在700℃以上時,保溫時間盡可能短些,但在一般情況下,
每mm 厚度不得少於3 分鍾,對於所有工件來講,不能小於15 分鍾.
（三）真空退火
鈦中的氫雖無強化作用,但危害性很大,能引起氫脆.氫在α-鈦中的溶解
度很小,主要呈TiH2 化合物狀態存在,而TiH2 只在300℃以下才穩定.如將α-
鈦在真空中進行加熱,就能將氫降低至0.1%以下.當鈦中含氫量過多時需要除
氫,為了除氫或防止氧化,必須進行真空退火.真空退火的加熱溫度與保溫時間,
與再結晶退火基本相同.冷卻方式為在爐中緩冷卻到適當的溫度,然後才能開爐,
真空度不能低於5×10-4mmHg.
二．TC4（Ti-6Al-4V）的熱處理
在鈦合金中,TC4 是應用比較廣泛的一種鈦合金,通常它是在退火狀態下
使用.對TC4 可進行消除應力退火、再結晶退火和固溶時效處理,退火後的組織
是α 和β 兩相共存,但β 相含量較少,約佔有10%.TC4 再結晶溫度為750℃.
再結晶退火溫度一般選在再結晶溫度以上80~100℃（但在實際應用中,可視具
體情況而定,如表5-26）,再結晶退火後TC4 的組織是等軸α 相+β 相,綜合性
能良好.但對TC4 的退火處理只是一種相穩定化處理,為了充分民掘其優良性
能的潛力,則應進行強化處理.TC4 合金的α+β/β 相轉變溫度為980~990℃,固
溶處理溫度一般選在α+β/β 轉變溫度以下40~100℃（視具體情況而定,如表5-26
所示）,因為在β 相區固溶處理所得到的粗大魏氏體組織雖具有持久強度高和斷
裂韌性高的優點,但拉伸塑性和疲勞強度均很低,而在α+β 相區固溶處理則無此
缺點.
規 范
類 型
溫 度（℃） 時間（min） 冷 卻 方 式
消除應力退火 550~650 30~240 空 冷
再結晶退火 750~800 60~120 空冷或隨爐冷卻至590℃後空冷
真空退火 790~815
固溶處理 850~950 30~60 水 淬
時效處理 480~560 4~8h 空 冷
時效處理是將固溶處理後的TC4 加熱到中等溫度,保持一定時間,隨後空冷.
時效處理的目的是消除固溶處理所產生的對綜合性能不利的α』相.固溶處理所產
生的淬火馬氏體α』,在時效過程中發生迅速分解（相變相當復雜）,使強度升高,
對此有兩種看法：
1.認為由於α』分解出α+β,分解產物的彌散強化作用使TC4 強度升高.
2.認為在時效過程中,β 相分解形成ω 相,造成TC4 強化.
隨著時效的進行,強度降低,對此現象也有兩種不同的觀點：
1．β 相的聚集使強度降低（與上述1 對應）.
2．ω 相的分解為一軟化過程（與上述2 對應）.
時效溫度和時間的選擇要以獲得最好的綜合性能為准.在推薦的固溶及時效
范圍內,最好通過時效硬化曲線來確定最佳工藝（如圖5-28 所示.此曲線為TC4
經850℃固溶處理後,在不同溫度下的時效硬化曲線）.低溫時效（480-560℃）
要比大於700℃的高溫時效好.因為在高溫時的拉伸強度、持久和蠕變強度、斷
裂韌性以及缺口拉伸性能等各方面,低溫時效都比高溫時效的好.
經固溶處理的TC4 綜合性能比750-800℃ 退火處理後的綜合性能要好.
需要指出的是,TC4 合金的加工態原始組織對熱處理後的顯微組織和力學性
能有較大的影響.對於高於相變溫度,經過不同變形而形成的網蘭狀組織來說,
是不能被熱處理所改變,在750~800℃退火後,基本保持原來的組織狀態；對於
在相變溫度以下進行加工而得到的α 及β 相組織,在750-800℃退火後,則能得
到等軸初生α相及轉變的β相.前者的拉伸延性和斷面收縮率都較後者低；但耐
高溫性能和斷裂韌性、抗熱鹽應力腐蝕都較高.
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的熱處理
Ti-32Mo-2.5Nb 是穩定β 型單相固溶合金,只需進行消除應力退火處理,
退火溫度為750~800℃,保溫一小時,冷卻方式採用空冷、爐冷均可.
五．熱處理中的幾個問題
（一）污染問題
鈦有極高的化學活性,幾乎能與所有的元素作用.在室溫下能與空氣中的氧
起反應,生成一層極薄的氧化膜,氧化速率很小.但在高的溫度下,除了氧化速
率加快並向金屬晶格內擴散外,鈦還與空氣中的氫、氮、碳等起激烈的反應,也
能與氣體化合物CO、CO2、H2O、NH4 及許多揮發性有機物反應.熱處理金屬元
素與工件表面的鈦發生反應,使鈦表面的化學成分發生變化,其中一些間隙元素
還能透過金屬點陣,形成間隙固溶體.況且除氫以外,其他元素與鈦的反應是不
可逆的.即使是氫,也不允許在最終熱處理後,進行高溫去除.間隙元素不僅影
響鈦和鈦合金的力學性能,而且還影響α+β/β 轉變溫度和一些相變過程,因此,
對於間隙元素,尤其是氣體雜質元素對鈦和鈦合金的污染問題,在熱處理中必須
引起重視.
（二）加熱爐的選擇
為在加熱過程中防止污染,必須對不同要求的工件採取不同的措施.若在最
後經磨削或其他機械加工能將工件表面的污染層去除時,可在任何類型的加熱爐
中進行加熱,爐內氣氛呈中性或微氧化性.為防止吸氫,爐內應絕對避免呈還原
性氣氛.當工件的最後加工工序為熱處理時,一定要採用真空爐（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氬氣氣氛（氬氣純度在99.99%以上並且乾燥）的加熱爐中進行
加熱.熱處理完畢後,必要時用30%的硝酸加3%的氫氟酸其餘為水,在50℃溫
度下對工件進行酸洗,或輕微磨削,以除去表面污染層.
（四）加熱方法
在熱處理進行以前,首先要對加熱爐爐膛進行清理,爐內不應有其他金屬或
氧化皮；對於工件,則要求表面沒有油污、水和氧化皮.
用真空爐對鈦工件進行加熱是防止污染的一種有效方法,但由於目前條件所
限,許多工廠還是採用一般加熱爐.在一般加熱爐中加熱,根據需求的不同採用
不同的措施防止污染,比如：
1．根據工件的大小,可裝在封閉的低碳鋼容器中,抽真空後進行加熱.若無真
空泵可通入惰性氣體（氬氣或氦氣）進行保護,保護氣體要多次反復通入、
排出,把空氣完全排凈.
2．使用塗層也是熱處理中保護鈦免遭污染的措施之一,在國外已取得一定的經
驗.國內一些工廠也在採用高溫漆和玻璃塗料作塗層.有人認為,目前對鈦
所用的各種保護塗層,只能減少污染的深度,並不能完全免除污染.對每種
熱處理,必須考慮允許的污染深度,選擇合適有效的塗層,其中也包括熱處
理後的剝離.
3．若用火焰加熱,在加熱過程中切忌火焰直接噴射在鈦工件上,煤氣火焰是鈦
吸氫的主要根源之一.而用燃油加熱,如若不慎將會引起鈦工件過分氧化或
增碳.
（五） 冷卻
鈦和鈦合金熱處理的冷卻方式主要是空冷或爐冷,也有採用油冷或風扇冷卻
的.淬火介質可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液,但通常使用最廣泛的淬火
介質是水.
只要能滿足鈦和鈦合金對冷卻速度的要求.一般鋼的熱處理所採用的冷卻裝
置對鈦都適用.
3. 鈦合金的切削工藝措施有哪些
鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的製造材料，但由於其切削性差，長期以來在很大程度上制約了它的使用。隨著工藝技術的發展，近年來鈦合金已廣泛使用於飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的製造以及飛機的大梁隔框等結構框架件的製造。但是鈦合金導熱性差致使切削溫度很高，在切削過程中的這些特點使其變得十分困難，下面簡單介紹下鈦合金的各種切削工藝有哪些特點：
（1）車削工藝
鈦合金車削易獲得較好的表面粗糙度，硬化不嚴重，但切削溫度高刀具磨損快。針對這些特點主要在刀具、切削參數方面採取以下措施：合適的刀具前後角、刀尖磨圓、較低的切削速度、適中的進給量、較深的切削深度、專用切削油充分冷卻；車外圓時刀尖不能高於工件中心，否則容易扎刀；精車及車削薄壁件時，刀具主偏角要大。
（2）銑削工藝
鈦合金銑削比車削困難，因為銑削是斷續切削，並且切屑易與刀刃發生粘結，當粘屑的刀齒再次切入工件時，粘屑被碰掉並帶走一小塊刀具材料形成崩刃，極大地降低了刀具的耐用度。因此對鈦合金銑削採取措施：一般採用順銑、使用高速鋼刀具、使用專用鈦合金切削油、從工件裝夾及設備方面提高工藝系統剛性。
（3）磨削工藝
磨削鈦合金零件常見的問題是粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。其原因是鈦合金的導熱性差，使磨削區產生高溫，從而使鈦合金與磨料發生粘結、擴散以及強烈的化學反應。粘屑和砂輪堵塞導致磨削比顯著下降，擴散和化學反應的結果，使工件被磨表面燒傷，導致零件疲勞強度降低，這在磨削鈦合金鑄件時更為明顯。為解決這一問題採取的措施是：選用綠碳化硅砂輪材料、稍低的砂輪速度、稍小的進給量、用低粘度磨削油充分冷卻。
（4）鑽削工藝
鈦合金鑽削比較困難，常在過程中出現燒刀和斷鑽現象。這主要是由於鑽頭刃磨不良、排屑不及時、冷卻不佳以及工藝系統剛性差等幾方面原因造成的。因此在鈦合金鑽削加工中須注意以下幾點：選用高速鋼硬質合金刀具、勤退刀並及時清除切屑、使用專用深孔鑽切削油、提高工藝系統剛性。
（5）鉸削工藝
鈦合金鉸削時刀具磨損不嚴重，使用硬質合金和高速鋼鉸刀均可。使用硬質合金鉸刀時，要採取類似鑽削的工藝系統剛度，防止鉸刀崩刃。鈦合金鉸孔時出現的主要問題是鉸孔不光，可採取以下解決措施：修窄鉸刀刃帶寬度以免刃帶與孔壁粘結、切削刃磨損後要及時修磨、必要時可加大校準部分倒錐。
（6）攻絲工藝
鈦合金攻絲主要因為切屑細小，易與刀刃及工件粘結，造成表面粗糙度值大扭矩大。攻絲時絲錐選用不當及操作不當極易造成硬化，效率極低並時有絲錐折斷現象。其解決辦法如下：優先選用跳牙絲錐、切削錐部分磨出負傾角、先粗鑽再用擴孔鑽擴孔、盡量採用機攻避免硬化。