引言
TC4钛合金，作为航空航天领域的一颗璀璨明星，凭借其卓越的力学特性和卓越的耐腐蚀能力，赢得了广泛的关注与应用潜力 [1-8] 。为了深化其性能优势，科研人员将目光投向了热处理技术这一重要手段，以期通过科学调控加热、保温及冷却流程，实现材料性能的全面优化。热处理，作为一种精细调控材料内部微观组织结构的工艺，对于TC4钛合金锻件、钛棒而言，具有非凡的意义。通过精心设计的热处理方案，可以微妙地调整其微观组织结构，进而在力学强度与耐腐蚀能力上实现双重飞跃 [9-15] 。这一性能上的飞跃，对于航空航天材料而言，尤为关键，因为它们必须能够在极端温度与压力条件下稳定运行，并有效抵御各类腐蚀性环境的侵袭。在TC4钛合金的热处理流程中，温度调控扮演着核心角色，温度的选择和控制精确性直接关联到钛合金性能的稳定性与提升潜力。过高或过低的温度设定均可能引发性能波动甚至劣化，故研究人员需依托广泛的实验验证与实战经验，细致探索并确立最佳热处理温度及时长参数，旨在最大化钛合金的综合性能。此外，冷却速率作为热处理过程中的另一关键变量，其选择亦不容忽视。冷却速率的变化能够深刻影响钛合金的微观组织结构，进而对其宏观性能产生显著作用 [16-20] 。因此，在确定热处理方案时，研究人员需全面考量材料性能需求与工艺实施的可行性，精心选定最适宜的冷却速率。鉴于航空航天技术的迅猛发展与对材料性能要求的日益严苛，深化TC4钛合金热处理技术的研究显得尤为迫切和重要。通过系统解析热处理工艺对钛合金性能的作用机理，我们能够不断优化热处理参数，推动钛合金性能迈向新高度，为航空航天领域的进步贡献力量。同时，此类研究亦促进了材料科学与热处理技术的协同发展，为其他金属材料热处理技术的革新提供了宝贵经验与启示，激发了材料科学领域的新一轮创新活力。
1TC4钛合金热处理工艺
1.1 退火
TC4钛合金的退火热处理工艺，其核心目标在于纾解材料加工过程中累积的内应力，并增强材料的塑性及结构稳定性。该处理过程旨在达成以下关键目的：首先，通过加热与保温措施，有效释放材料内部的残余应力，预防因应力集中而诱发的形变或裂纹问题，即实现内应力的有效消除；其次，优化材料的微观组织结构，促进其均匀性与稳定性提升，进而增强整体性能；再者，降低材料的硬度，提升其塑性，为后续加工及使用过程创造有利条件。为实现上述目标，退火热处理主要采用以下几种方法：去应力退火，该法将TC4钛合金加热至适宜温度区间（约 500～650℃），持续保温后缓慢冷却，主要针对冷加工或焊接等过程遗留的内应力进行释放；再结晶退火，则将材料加热至超过再结晶温度（约 750℃），保温促使材料发生再结晶过程，形成更为均匀、优化的组织结构，从而提升材料的塑性与韧性；双重退火则结合前述两种方法，先去除应力后促进再结晶，进一步优化材料的整体性能。在实施退火热处理时，需注意以下几点：温度控制需精准，依据材料成分、组织状态及工艺需求选定合适温度，避免过低无法有效去应力或过高导致材料损伤；时间控制亦关键，需根据材料厚度、形状及工艺要求调整保温时长，确保处理效果同时兼顾能源效率；冷却方式亦不容忽视，应合理选择空冷或炉冷方式，以防材料在冷却阶段产生新的内应力；最后，选用适当的热处理设备至关重要，以确保加热与冷却过程的均匀性与稳定性，保障处理效果。
1.2 固溶时效
TC4钛合金的固溶时效处理作为一项关键热处理技术，其核心在于通过精确调控温度与时间的组合，精细调整钛合金的微观组织结构，进而显著增强其力学特性与耐腐蚀能力。以下是对该处理过程的深入剖析。
在固溶处理阶段，TC4钛合金通常被加热至 980℃至 1000℃的温度区间，此温度范围的选择依据钛合金材料的固有特性，旨在确保固溶体中的各类元素得以充分溶解，实现组织结构的均匀化。保温时间的设定则依据具体处理需求，一般在 1 至 4 小时的范围内波动，其长短直接关系到固溶体均匀化的程度，从而对钛合金的最终性能产生深远影响。固溶处理完成后，需立即进行快速冷却至室温，此步骤旨在固定固溶体的均匀化状态，防止高温停留导致的组织结构不利变化。
随后进行的时效处理，则采用相对较低的温度范围，即 480℃至 550℃，这一温度区间有助于促进固溶体中元素的析出，形成弥散分布的析出相。这些析出相在提升钛合金强度与硬度的同时，还能在一定程度上保持材料的塑性与韧性。时效处理的保温时间一般设定为 4 至 8 小时，保温时长的变化会直接影响到析出相的形态、尺寸及分布，从而对钛合金的性能产生微妙而重要的影响。
TC4钛合金经过固溶时效处理后，其优越的性能特性在多个领域得到了广泛应用。在航空发动机零部件制造中，该处理工艺能够赋予钛合金出色的高温强度与抗疲劳性能，满足极端工况下的使用需求。同时，在航空航天器结构构件领域，固溶时效处理后的TC4钛合金凭借其高强度与优异的耐腐蚀性，成为满足高性能要求的理想选择。综上所述，TC4钛合金的固溶时效处理不仅是提升材料性能的重要手段，也是推动航空航天等领域技术创新与发展的关键因素。通过不断优化处理工艺参数，可以进一步挖掘TC4钛合金的潜力，为相关领域的发展注入新的活力。
1.3 电磁热处理
TC4钛合金的电磁热处理技术，作为电磁学与热处理领域的交叉创新，通过巧妙融合电磁场效应与热处理工艺，实现对钛合金微观结构与性能的深度优化。此过程中，钛合金被置于精心设计的电磁环境中，通过精细调控电磁场的强度与频率参数，精准控制其加热与冷却路径。电磁场的介入，深刻影响了钛合金内部原子与分子的动态行为，加速了相变进程，为钛合金性能的精准调控开辟了新途径。具体而言，电磁热处理技术能够显著细化TC4钛合金的晶粒结构，同时增强其强度、硬度及耐腐蚀性能，为材料性能的提升提供
了有力支持。此外，该技术还展现出在消除残余应力、优化机械性能方面的独特优势，进一步拓宽了钛合金的应用潜力。然而，电磁热处理技术的实际应用亦伴随着一系列挑战，其核心在于如何精准掌握电磁场参数的调控艺术，以最大化热处理效果，并深入探究电磁场对钛合金微观组织及宏观性能的内在影响机制。综上所述，TC4钛合金的电磁热处理技术以其独特的优势与潜力，正逐步成为推动钛合金材料性能升级与应用拓展的关键力量。随着科学技术的日新月异，我们有理由相信，电磁热处理技术将在钛合金材料的制备与加工领域发挥更加重要的作用，引领材料科学的新一轮发展浪潮。
2、 热处理对TC4钛合金组织与性能的影响
2.1 组织结构变化
热处理作为TC4钛合金锻件性能调控的关键手段，其过程中钛合金的组织结构经历了显著的转变。退火处理的核心作用在于促进钛合金内部组织的均匀化，并有效消除加工过程中产生的内应力。这一过程通过调整 α 相与 β 相的分布与比例，优化晶粒形态与尺寸，进而增强钛合金的塑性与韧性，减少后续应用中的开裂倾向。另一方面，固溶时效处理则利用特定的温度与时间控制，诱导TC4钛合金发生复杂的相变过程。在此过程中，β 相经历马氏体相变，转化为高硬度的 α’马氏体相，这一过程伴随着显著的强化效果，显著提升钛合金的强度和硬度。同时，时效阶段合金元素的析出与再分布，在晶界与相界处形成有益的析出相，进一步细化了组织，优化了性能，这一过程是固溶时效处理对TC4钛合金性能提升的关键所在 [21-25] 。综上所述，热处理技术通过精细调控TC4钛合金的组织演变，实现了对其性能的全面优化，为钛合金在高端制造领域的应用提供了坚实的材料基础。
徐坚等人 [26] 的研究聚焦于不同固溶时效工艺条件下TC4钛合金显微组织的演变规律。其研究结果显示，固溶时效处理显著促进了针状马氏体 α’相与亚稳态 β 相的分解，转化为更为稳定且弥散分布的 α＋β 相组合。这一变化通过图 1 得到了直观的展示：铸态TC4钛合金的组织结构以均匀致密的 α 相、β 相及晶界 α相为特征；而经过固溶时效处理后，其显微组织转变为以片状 α 相、细条状 α 相与 β 相为主的复杂结构，呈现出明显的组织重构现象。进一步分析发现，时效温度对TC4钛合金的组织形态具有显著影响。在 500℃时效条件下，组织主要由细条状的 α 相与相间分布的 β 相构成；随着时效温度提升至 540℃，细条状 α 相逐渐减少，转变为片状形态；当温度继续升高至 580℃时，组织则呈现出片状 α 相、细条状 α 相与 β 相共存的复杂结构。值得注意的是，随着时效温度的上升，β 相的分布逐渐变得不均匀，且其含量也有所增加，这一现象揭示了时效温度对TC4钛合金微观组织结构的深刻影响。
在深入追求TC4钛合金性能优化的道路上，研究者们积极探索并应用了多种复合热处理工艺策略，诸如热循环处理与多级时效等。这些创新方法巧妙融合了不同热处理手段的优势，通过精确调控钛合金在热处理过程中的组织演变路径，实现了对其性能的全方位提升。与此同时，随着计算材料科学与模拟技术的飞速发展，研究者们迎来了一个全新的研究视角。他们利用这些先进的工具对TC4钛合金的热处理过程进行高精度的模拟与预测，这不仅极大地加深了我们对热处理过程中组织演变与性能优化内在机制的认识，还为热处理工艺的设计与优化提供了坚实的理论基础和前瞻性的指导。这一趋势预示着，在未来的材料科学研究中，计算模拟与实验验证将更加紧密地结合，共同推动TC4钛合金及其他先进材料性能优化的新突破。
2.2 力学性能变化
针对TC4钛合金的力学性能优化，热处理扮演了至关重要的角色。退火处理，通过调控温度（如 920℃至 980℃范围内），能够有效提升钛合金的塑性及组织稳定性，然而这一过程可能伴随着强度与硬度的适度牺牲。相反，固溶时效处理则专注于增强钛合金的强度和硬度，但需注意其对塑性的潜在影响。因此，在实际工程应用中，合理选择热处理工艺以匹配具体性能需求显得尤为关键。
对于退火热处理而言，随着退火温度的逐步升高（从 920℃至 980℃），TC4钛合金的微观组织经历了显著变化：初生 α 相逐渐减少且形貌趋于等轴状，而次生 α 相及粗大 β 相则相应增加。这一组织演变直接导致合金强度的提升与塑性的下降，尤其是在 980℃附近退火时，合金展现出最高的强度，但塑性相对较低。
另一方面，固溶时效处理通过精确控制固溶温度（通常低于相变点 30～80℃），有效调节了初生 α 相、次生 α 相及 β 转变组织的尺寸与体积分数，进而在保持或提升材料韧性的同时，优化了其强度与塑性。固溶处理后的时效阶段，针状马氏体 α’与过冷 β 相发生分解，转化为弥散稳定的 α 相，与 β 相共同构成了（α+β）两相组织，这一转变显著增强了合金的硬度和强度，为材料性能的提升开辟了新途径 [27-29] 。徐坚等 [26] 深入探究了固溶时效工艺参数变化对TC4钛合金在室温下力学性能的具体影响。他们的研究发现，通过固溶时效处理，钛合金中的针状马氏体 α’相与亚稳态 β 相经历了分解过程，转变为弥散分布的稳定 α＋β 相结构，这一转变显著增强了TC4钛合金的强度特性。进一步分析指出，在保持固溶温度恒定的条件下，随着时效温度的逐渐升高，TC4钛合金的强度呈现出下降趋势，而塑性则相应提升。这一发现揭示了时效温度调控在平衡钛合金强度与塑性方面的重要作用。尤为值得关注的是，当固溶温度设定为 940℃、时效温度选择为 500℃时，TC4钛合金展现出了优异的综合力学性能：不仅保持了较高的强度水平，还兼具了良好的塑性表现。
TC4钛合金的力学性能与其微观组织结构之间存在着深刻的内在联系，特别是 β 相及其亚稳态的马氏体转变机制，对材料的整体性能表现具有显著的调控作用。热处理作为调控钛合金微观组织的关键手段，其工艺选择与参数设定直接决定了TC4钛合金的最终力学性能，这涵盖了强度、塑性、硬度等多个关键指标。
在实际应用中，针对不同的工况需求与性能目标，精准选择热处理工艺及精细调控其参数，成为了优化TC4钛合金力学性能的重要途径。通过科学合理地设计热处理方案，可以有效促进钛合金内部组织的优化重组，如细化晶粒、调控相变产物分布等，进而实现力学性能的综合提升。综上所述，TC4钛合金的热处理过程是一个复杂而精细的调控过程，它对材料力学性能的影响是多维度且深远的。通过不断探索与实践，我们有望进一步优化热处理工艺，以最大化发挥TC4钛合金的潜在性能优势，满足日益严苛的工程应用需求 [30-31] 。
2.3 耐腐蚀性能变化
热处理作为一种重要的材料改性手段，对于提升TC4钛合金的耐腐蚀性能同样具有显著效果。通过精确调控热处理工艺，能够优化钛合金的化学成分与微观组织结构，进而增强其抵抗腐蚀环境侵蚀的能力，这对于航空航天等严苛应用领域的材料选择尤为重要。
退火处理虽主要聚焦于消除材料内应力与改善组织均匀性，但其对TC4钛合金耐腐蚀性能的影响亦不容忽视。合理的退火工艺可以优化材料的微观结构，但过高的温度或过长的处理时间可能引发不利相变或元素偏析，从而削弱耐腐蚀性能，因此退火参数的精确控制至关重要。
另一方面，固溶处理作为金属热处理的基础工艺之一，对TC4钛合金的耐腐蚀性能提升尤为关键。通过将钛合金加热至特定温度（如 900℃左右）并保持一段时间，随后快速冷却，可以形成均匀的固溶体，这一过程中不仅强化了合金的力学性能，还通过减少有害杂质与相的含量，有效改善了其耐腐蚀性能。进一步地，固溶时效处理通过在固溶处理基础上引入时效步骤，促进了针状马氏体 α’与过冷 β 相的分解，生成更为稳定的 α+β 相结构，进一步增强了合金的耐腐蚀能力。
综上所述，热处理工艺对TC4钛合金耐腐蚀性能的调控是多方面的，涉及固溶处理、固溶时效处理及退火处理等多种手段。在实际应用中，需根据具体需求与材料特性，科学选择并精确控制热处理工艺参数，以实现耐腐蚀性能的最优化。同时，对于热处理过程中的温度、时间、冷却速度等关键因素，应给予足够重视，以避免对合金耐腐蚀性能造成不利影响。
3TC4钛合金热处理技术的创新与展望
随着科技的日新月异与应用领域的持续拓宽，TC4钛合金的热处理技术正步入一个不断创新与演进的黄金时代。研究者们正积极探索前沿技术路径，旨在进一步提升钛合金的综合性能。这包括但不限于采用创新的加热手段，如微波加热与感应加热技术，以实现材料的高效、均匀加热，从而优化热处理效果；同时，高压热处理等新兴技术也被应用于改善钛合金的微观组织，强化其力学性能。此外，深冷处理等独特工艺也被寄予厚望，以期在增强钛合金强度与韧性的道路上取得新突破。
展望未来，热处理技术与其他先进制造技术的深度融合将成为重要趋势。通过将热处理与激光增材制造、粉末冶金等前沿技术相结合，不仅能够实现TC4钛合金的快速成型，还能在成型过程中同步优化其性能，极大提升生产效率与材料质量。同时，热处理与表面处理技术的协同创新，也将为钛合金表面性能的改良与耐腐蚀性的提升开辟新途径。
值得注意的是，在追求技术创新的同时，绿色制造理念正引领着热处理技术的另一场变革。研究者们正致力于开发低能耗、低排放的热处理工艺与设备，力求在保障材料性能的同时，减少对环境的负面影响，推动TC4钛合金热处理技术向更加环保、可持续的方向发展。
综上所述，TC4钛合金棒、钛锻件热处理技术正以前所未有的速度向前迈进，不仅在传统领域如航空航天持续发挥重要作用，更在医疗、化工等新兴领域展现出广阔的应用前景。随着技术的不断成熟与创新，我们有理由相信，TC4钛合金将为更多领域的进步与发展提供更加坚实可靠的材料支撑。
参考文献
1. 霍进良,蔡瑛,佟海生,等.新型TC4钛合金材料热处理工艺研究[J].新技术新工艺,2023,(11):64-69..
2. 李昌,任伟宁,杨健,等.TC4钛合金 β 热处理的显微组织演变[J/OL].热加工工,2024,(10):151-154.
3. 王炳正,张睿峰,王旭明,等.热处理方式对 TC4ELI 钛合金组织与性能的影响[J].热处理技术与装备,2023,44(04):16-19.
4. 苏化冰,尹林,江红军,等.锻造和热处理工艺对TC4钛合金显微组织和冲击韧度的影响[J].热处理,2023,38(04):36-39+48.
5. 孙虹烨,齐跃,余传魁,等.TC4钛合金的力学性能及热处理模拟[J].塑性工程学报,2023,30(07):180-185.
6. 刘包发,胡剑南,石俊杰,等.热处理对增材制造TC4钛合金组织结构及耐蚀性能的影响[J].材料热处理学报,2023,44(05):86-94.
7. 柏威.热处理温度对TC4钛合金动态力学性能和微观组织的影响[D].安徽建筑大学,2023.
8. 任诗章.TC4钛合金螺栓固溶时效热处理组织的模拟和验证[D].天津理工大学,2023.
9. 赵萍.航空用TC4钛合金散热结构 SLM 制备及热处理强化与组织性能研究[D].山东建筑大学,2023.
10. 董晓锋,张明玉,周江山,等.热处理对 TC4 ELI 钛合金显微组织与力学性能的影响[J].热加工工艺,2022,51(24):142-146.
11. 叶康源,叶勇松,陈开勇,等.Effect of Different Heat Treatment Process on Structure and Property of TC4 Titanium Alloy Forging[C]//中国航空学会.第十届中国航空学会青年科技论坛论文集.贵州安大航空锻造有限责任公司;成都航利(集团)实业有限公司;空装驻安顺地区军事代表室;,2022:7.
12. 许永春,孙晓军,窦建伟,等.初生α相含量对TC4材料力学性能影响探讨[J].云南冶金,2022,51(05):109-115.
13. 郄喜望,吴国清,张琦,等.大型TC4钛合金试样的退火处理模拟及变形机制研究[J].特种铸造及有色合金,2022,42(10):1210-1215.
14. 王晓亭,乔波,张登峰,等.医用TC4钛合金网篮组织热处理工艺[J].材料导报,2022,36(S2):279-281.
15. 刘涛,柏威,吴乔国,等.热处理对TC4钛合金动态力学性能和微观组织的影响[J].应用力学学报,2023,40(04):805-813.
16. 张继时.热等静压态TC4钛合金热变形及热处理组织演变规律研究[D].中北大学,2022.
17. 高飞,雷挺,苗阳,等.热处理对TC4钛合金板材韧性的影响[J].金属世界,2022,(03):36-38.
18. 陈冠宇.热处理工艺对TC4钛合金腐蚀性能的影响[D].石家庄铁道大学,2021.
19. 刘华栋.氩弧-电子束复合焊接修复TC4钛合金热处理组织性能研究[D].沈阳工业大学,2021.
20. 王普强,王豫跃,吴梦杰,等.热处理对 LMD TC4 组织、力学性能及各向异性的影响[J].中国激光,2021,48(10):160-171.
21. 刘子霖.TC4钛合金两相区热处理组织与性能研究[D].东南大学,2021.
22. 郭凯,何忝锜,和蓉.TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展[J].世界有色金属,2021,(07):16-17.
23. 孟利军,杨娇妮,苟曼曼.热处理工艺对TC4钛合金组织及性能的影响[J].中国金属通报,2021,(02):101-102.
24. 赵晓龙,王彬,何恩光,等.多次热处理对TC4钛合金激光焊接头组织和性能的影响[J].应用激光,2020,40(05):831-835.
25. 袁经纬,李卓,汤海波,等.热处理对激光增材制造 TC4 合金耐蚀性及室温压缩蠕变性能的影响[J].航空学报,2021,42(10):478-485.
26. 徐坚,王文焱,谢敬佩,等.固溶-时效对TC4钛合金组织与性能的影响[J].稀有金属与硬质合金,2014,42(02):41-44.
27. 尉文超,李云坤,薛彦均,等.热处理工艺对TC4钛合金冲击磨损性能的影响[J].金属热处理,2020,45(06):7-11.
28. 王普强,吴梦杰,王豫跃,等.不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展[J].航空制造技术,2020,63(10):56-65.
29. 毛江虹,杨晓康,罗斌莉,等.热处理温度对 TC4ELI 合金组织与性能的影响[J].金属热处理,2020,45(02):166-174.
30. 张天馨.TC4钛合金相变过程及轧制-热处理工艺研究[D].东北大学,2020.
31. 龙玮,夏麒帆,张松,等.双重退火对形变TC4钛合金组织与性能的影响[J].贵州大学学报(自然科学版),2019,36(05):50-54.
李欣，中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司工程师，目前主要研究领域为高性能铸造钛合金及其先进成形技术的开发和应用。参与科技重大专项、军工配套、自然科学基金等国家级、省部级各类科研项目 10 余项。发表论文 5 篇。获科技成果奖一等奖 1 项。
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