1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.引言

钛是具有着优异物理机械性能和耐化学介质腐蚀的金属。和其它金属相比，它有很多特有的优点，这些优点使它在国民经济各个部门具有特殊用途。钛的熔点高，比重小，强度高，超过高强度钢和铝合金。这种少有的综合性能使钛能成为现代技术最有前途的结构材料之一。此外，钛在地壳中的蕴藏量极为丰富，其含量占地壳重量的0.61%，在所有元素中占第十位，在金属中仅次于铁铝镁占第四位，比常见的铜、锌、铝、锡的总和还多。这些特点，使钛在世界各国受到重视，因而发展也很快。虽然钛的价格仍然较高，但基于其的特性，在很多场合下，采用钛在经济上也是有利的。在某些特殊生产场合，钛是可以用来制造设备的理想金属材料^[1-2]。

钛合金材料是航空航天工业的重要组成部分。随着航空航天领域发动机产品的更新换代，钛合金的使用比重越来越大：钛合金凭借优异的综合力学性能、密度小、抗腐蚀性强等特点，成为飞机发动机理想的制造材料。在航空发动机燃油控制系统中，钛合金已逐步取代耐热钢、不锈钢等材料，成为各类连接件、紧固件等部件的首选材料^[3]。

2.钛和钛合金

2.1纯钛的性能和特点

2.1.1.物理性能

钛是钢与合金中重要的合金元素，钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20℃)，高于铝而低于铁、铜、镍，但比强度位于金属之首。熔点1668#177;4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260#177;20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25℃时，钛的热容为0.126卡/克原子#183;度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子#183;度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004^[4]。

钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但收缩强度低(即收缩时产生的力度)。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质(氧、氮、碳)可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的^[5]。

2.1.2.化学性质

钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。

2.2钛合金的概念和分类

2.2.1 α钛合金

它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高^[6]。

2.2.2 β钛合金

它是β相固溶体组成的单相合金。未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

2.2.3 α β钛合金

它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金^[7-9]。

2.3钛合金的特点及应用

2.3.1钛合金的特点

钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，尤其是TC4钛合金，TC4钛合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车、医药等部门都得到成功的应用。

2.3.2钛合金的应用

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件^[10-12]。

2.4钛合金的热处理

去应力退火，目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。

完全退火，目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。

等温退火和双重退火，等温退火适用于元素含量比较高的 合金，日的是保证相的充分分解，使工件具有较好的塑性和热稳定性。双重退火是为了改善 合金的塑性、断裂韧度和组织稳定性。第一次加热温度高于或接近于再结晶温度，在保证晶粒不长大的情况下再结晶退火，固溶时效目的是为了提高其强度，α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。α β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化^[13]。

3.TC4钛合金组织与性能

3.1 TC4钛合金的组织成分

表1 钛合金Ti-6Al-4V成分

3.2 TC4钛合金的力学性能

TC4钛合金的抗拉强度σ_b/MPa≥895,规定残余伸长应力σ_r0.2/MPa≥825,伸长率δ_s(%)≥10,断面收缩率ψ(%)≥25。Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火，时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%-100%。高温强度高，高温下长期工作，其热稳定性仅次于α钛合金^[12,14]。

3.3 添加合金元素对TC4钛合金的影响

3.3.1 B元素对TC4钛合金的影响

为细化铸造TC4钛合金的晶粒,改善合金的力学性能，在合金中加入了少量B元素.结果表明：随着B含量逐步增加至0.06％(质量分数，下同)，ZTC4钛合金晶粒尺寸从添加B之前的4.5mm细化至0.36mm，硼化物的主要分布也随之由晶粒内部分布转变为晶界处分布。当B含量为0.03％时，ZTC4钛材料具有最高的延伸率，但当B含量超过0.06％时，ZTC4钛材料拉伸时接近脆性断裂。导致ZTC4-0.06B材料几乎脆断的原因可能是B含量过多导致B化物分布由主要在晶粒内部转向晶界处。从晶粒细化效果和材料力学性能综合考量，铸造TC4钛合金中B的最佳添加量为0.02％～0.04％^[15-16]。

3.3.2 Fe元素对TC4钛合金的影响

由于Ti-6Al-4V钛合金α相独立滑移系少，变形开始阶段，取向有利的晶粒先开动易滑移的滑移系，当滑移受到阻碍时位错产生塞积，形成位错胞并产生应力集中，而随着合金基体中间隙固溶Fe元素含量增加，晶格畸变增加引起晶体畸变能增加，伴随着位错胞应力集中的作用下，从而诱发孪生，孪生会改变晶体的取向，使得滑移进一步进行，材料获得了足够的塑性变形，不至于过早断裂。因此，低Fe含量时，合金变形主要依靠位错滑移；高Fe含量时，合金变形是滑移为主，孪生为辅的复合变形机制^[17]。

进一步分析发现，Ti-6Al-4V钛合金屈强比σ_0.2/σ_b与合金中Fe含量呈线性关系，见图1，通过图示模拟出线性常数为0.4。

图1 Ti-6Al-4V钛合金屈强比σ_0.2/σ_b与Fe含量的关系

1)Ti-6Al-4V钛合金中Fe元素含量在0.04%～0.26%范围，Ti-6Al-4V钛合金屈服强度、抗拉强度、屈强比σ_0.2/σ_b、硬度及材料的弹性模量等力学性能，随合金中Fe含量增加呈递增趋势；进一步分析发现，屈强比σ_0.2/σ_b与合金中Fe含量呈线性关系。

2)微量Fe固溶于Ti-6Al-4V钛合金α基体中，对材料起固溶强化作用。0.26%高Fe含量Ti-6Al-4V钛合金的屈服强度、抗拉强度分别达996MPa、1030MPa，屈强比σ_0.2/σ_b高达0.97，拉伸断口展现其优良的塑韧性，室温伸长率达18.5%，其塑性变形是滑移为主、孪生为辅的复合变形机制。因此，在合金成分设计方面，合理提高Ti-6Al-4V钛合金中Fe元素含量，在保证塑韧性前提下，可有效提高材料屈强比等强度指标^[18]。

3.4热处理对TC4钛合金的影响

1)甘章华等人研究了TC4钛合金在不同保温温度和冷却速度下热处理后的显微组织及硬度。结果表明，在970℃保温冷却后，由于温度稍低于相转变温度，α相并没有完全转变为β相，冷却后的组织仍有初生α相.在1020℃以上加热保温后，炉冷和空冷时由于冷却速度较慢，转变生成的α相比较粗短且排列紧密，冷却速度越慢α相越粗大；油冷和水冷下主要获得片状和针状马氏体组织。TC4钛合金的硬度随着冷速的增加而增加，但增加幅度不大^[19]。

2)周伟等人研究了热处理对TC4半成品棒材的显微组织、拉伸性能、断裂韧性、裂纹扩展速率的影响。结果表明，经α＋β区固溶处理和β区固溶处理＋(α＋β)区时效处理后的TC4合金显微组织分别为球状或条状初生α＋晶间β的双态组织和网篮组织，双态组织结构具有高的拉伸性能和低的断裂韧性，网篮组织具有良好的断裂韧性和疲劳性能^[20]。

3)陈军等人研究了热处理对TC4-DT合金#632;300mm棒材显微组织、拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明：经800℃#215;2hAC简单退火、α β固溶 时效处理后的TC4-DT显微组织分别为等轴组织、双态组织和片状组织。等轴组织有良好的拉伸性能，低的断裂韧性和高的疲劳裂纹扩展速率；双态组织与等轴组织相比较，具有良好的拉伸性能，较高的断裂韧性和较低疲劳裂纹扩展速率；片状组织的拉伸强度低于双态组织和等轴组织，塑性最低，断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率与双态组织基本相同^[21]。

4展望

TC4钛合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门都得到成功的应用。TC4钛合金中加入Fe元素，将会将会有不错的发展前景，但是目前对这种新型钛合金的了解太少，缺乏基础的数据介绍。本课题研究温度对β退火TC4-0.55Fe合金组织的影响规律，探讨不同退火温度对合金组织形貌的演变过程，通过对合金硬度的测量确定合适的退火温度，为今后应用提供理论依据。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1本课题预期达到的内容

本课题主要是通过改变β退火温度探讨不同退火温度对合金组织形貌的演变过程，通过对合金硬度的测量确定合适的退火温度，为今后的应用提供理论依据。

2本课题预期达到的要求