发布日期：2025-8-14 15:31:59
钛合金凭借高强度、低密度、优异的耐腐蚀性及生物相容性等特性，已成为航空航天、海洋工程、生物医疗等领域的关键材料。随着高端装备对材料性能要求的不断提升，传统加工工艺面临精度不足、成本高昂、复杂结构成形困难等挑战，推动了增材制造、激光熔覆、热处理优化等先进技术的发展。本文系统梳理钛合金加工工艺的最新研究成果，剖析不同工艺对材料组织与性能的影响机制，为其工程应用提供理论与技术支撑。
近年来，钛合金加工技术呈现多维度创新趋势。增材制造技术突破传统减材加工的局限，实现复杂结构近净成形；热处理工艺通过精准调控温度与冷却速率，优化合金相组成与晶粒结构；激光熔覆技术在构件修复与性能强化方面展现独特优势；低成本钛合金的热弯曲工艺则为规模化应用提供经济可行的解决方案。这些技术的融合应用，正在重塑钛合金材料的制备与应用格局。
当前钛合金研究的核心聚焦于性能与工艺的匹配性：如何通过加工参数优化实现强度与塑性的平衡，如何提升深海等极端环境下的耐蚀性，如何降低制造成本同时保证可靠性。本文整合五篇代表性研究成果，从材料特性、工艺创新、性能评价及应用挑战四个维度展开分析，为相关领域的研究与工程实践提供全面参考。
一、钛合金材料特性与应用背景
1.1 钛合金的基本特性与分类
钛合金是以钛为基体加入其他合金元素（如 Al、V、Mo、Cr 等）形成的金属材料，其密度约 4.5g/cm³，仅为钢的 60%，但抗拉强度可达 1000MPa 以上，比强度（强度 / 密度）显著优于钢和铝合金。钛合金的耐腐蚀性源于表面易形成致密的氧化钛（TiO₂）钝化膜，该膜具有自修复能力，能在含氧环境中迅速再生，有效阻隔腐蚀介质侵入。
根据相组成，钛合金可分为三类：
α 钛合金：含 α 稳定元素（如 Al、Sn），室温下主要为 α 相（密排六方结构），具有优良的焊接性和抗氧化性，典型牌号为 TA2，常用于化工设备和医疗器械。
β 钛合金：含 β 稳定元素（如 Mo、V），室温下主要为 β 相（体心立方结构），具有高塑性和可热处理性，如 TB10 合金，适用于航空航天领域的高强度构件。
α+β 钛合金：同时含 α 和 β 稳定元素，兼具两者优势，应用最广泛的 TC4（Ti-6Al-4V）和 TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo）均属此类，前者用于通用结构，后者因高强韧性成为航空发动机压气机盘的核心材料。
1.2 钛合金的应用领域拓展
1.2.1 海洋工程领域
水下装备对材料的耐海水腐蚀、轻量化及耐压性能要求严苛，钛合金逐步取代传统钢铁和铝合金成为首选材料。例如，深海潜水器的耐压壳体采用 TC4 钛合金，可承受万米水深的静水压力（约 100MPa）；螺旋桨等动力部件通过增材制造技术成形，实现减重 20% 以上，同时提高推进效率。中国船舶集团研发的激光熔化沉积（LMD）钛合金螺旋桨（直径 800mm），材料利用率从传统锻造的 20%-30% 提升至 95%，加工周期缩短 70%[1]。
1.2.2 航空航天领域
航空发动机压气机盘、叶片等关键部件需在高温（300-500℃）、高应力环境下服役，TC17 钛合金因优异的蠕变抗力和疲劳性能被广泛应用。通过两相区锻造和时效处理，其抗拉强度可达 1100MPa 以上，延伸率保持在 10% 以上 [2]。激光熔覆技术用于整体叶盘修复，使损伤部件的力学性能恢复至锻件标准的 93%，显著降低更换成本 [3]。
1.2.3 低成本民用领域
传统钛合金因加工成本高限制了规模化应用，TC4LCA 等低成本合金通过优化 Fe、O 元素含量，生产成本降低 25%，同时保持屈服强度 1000MPa、抗拉强度 1033MPa 的优异性能，适用于汽车零部件、化工管道等领域 [4]。
二、钛合金先进加工工艺及性能调控
2.1 增材制造技术在钛合金成形中的应用
增材制造（AM）通过逐层堆积材料实现构件成形，克服了传统铸造、锻造对复杂结构的限制，主要工艺包括激光选区熔化（SLM）、激光熔融沉积（LMD）和弧丝增材制造（WAAM）。
2.1.1 工艺适用性分析
成形尺寸：SLM 受真空舱室限制，最大成形尺寸约 1258×1258×1350mm（易加三维 EP-M1250），适用于中小型精密构件；LMD 和 WAAM 可制备数米级大型部件，覆盖水下装备 90% 以上的零部件 [1]。
结构复杂度：SLM 可成形镂空、点阵等复杂结构，表面粗糙度 Ra 低至 10μm；LMD 在螺旋桨、空心壳体等非对称结构中优势显著，中国船舶集团采用 LMD 技术制造的空心壳体，加工周期从 7 天缩短至 1 天，成本降低 20%[1]。
性能达标性：TC4 钛合金经 SLM 成形后，抗拉强度达 1200MPa，延伸率 8%，满足 GJB 944A-2018 标准；LMD 成形的 TC4 构件冲击功略低于锻件，但通过热等静压（HIP）处理可消除孔隙（孔隙率从 0.08% 降至 0.01%），提升韧性 [1]。
2.1.2 典型应用案例
螺旋桨制造：德国 RAMLAB 采用 WAAM 技术制备的镍铝青铜螺旋桨（直径 1.35m）通过法国船级社认证；中国采用 LMD 技术试制的七叶钛合金螺旋桨（重量 30kg），力学性能达到船用标准 [1]。
压力容器成形：Breddermann 团队用 LMD 技术制备的 TC4 半球壳体，经优化工艺后抗压强度从 7.1MPa 提升至 29.8MPa，满足深海装备耐压要求 [1]。
2.2 热处理工艺对钛合金组织与性能的调控
热处理是优化钛合金相组成、消除内应力、提升力学性能的关键手段，其核心参数包括固溶温度、冷却方式和时效制度。
2.2.1 TC17 钛合金的热处理优化
最佳工艺：800℃固溶 2h（水冷）+630℃时效 8h（空冷），该工艺下合金抗拉强度 1154MPa，延伸率 12%，强塑性匹配最优 [2]。
温度影响：两相区（800-860℃）固溶时，随温度升高，初生 α 相含量从 60% 降至 20%，次生 α 相增多，强度升高（1195→1377MPa）但塑性下降（7.5%→4%）[2]。
冷却方式：空冷较水冷更易形成粗大次生 α 相，导致强度略高（1195MPa vs 1174MPa）但塑性降低（7.5% vs 10%）[2]。
2.2.2 各向异性调控
TC17 大规格棒材存在显著各向异性，轴向试样的屈服强度（1136MPa）比径向（1106MPa）高 2.7%，延伸率（16% vs 12%）提升 33%，这与锻造过程中形成的纤维组织相关 [2]。
2.3 激光熔覆技术在钛合金修复中的应用
激光熔覆通过高能激光束熔化合金粉末与基材表面，形成冶金结合的修复层，适用于航空发动机叶盘等高端构件的损伤修复。
2.3.1 工艺参数优化
最佳参数：激光功率 600W，扫描速度 6mm/s，送粉速率 2g/min，此时熔覆层与基材结合良好，无未熔合缺陷 [3]。
显微组织：熔覆区为细小针状 α 相和 β 相（尺寸小于基体），时效处理后析出短棒状次生 α 相，且随时效时间延长（6→12h），次生 α 相数量增多、尺寸增大 [3]。
2.3.2 力学性能恢复
室温拉伸：680℃时效 10h 后，熔覆层抗拉强度达 1047MPa（为锻件标准的 93%），延伸率 10.2%（远超标准的 5%）[3]。
缺口性能：缺口拉伸强度 1537MPa，1170MPa 应力下持久时间 5.625h，满足服役要求 [3]。
2.4 低成本钛合金的热弯曲工艺
TC4LCA 合金通过调整 Fe、O 含量降低成本，其热弯曲工艺需平衡成形精度与力学性能。
2.4.1 工艺参数影响
温度与保压时间：750℃、15min 条件下，弯曲半径 1.0t（t=12mm）时，回弹角仅 1′，壁厚减薄率 2.3%，综合性能最优 [4]。
弯曲半径：半径从 2.0t 减小至 0.5t，减薄率从 2.3% 增至 6.7%，回弹角从 2′增至 9′，因内侧受压、外侧受拉导致应力分布不均 [4]。
2.4.2 组织与性能变化
热弯曲后合金仍保持优良性能，硬度 334HV（为母材的 95%），抗拉强度 1026MPa（达母材的 99%），且晶粒尺寸均匀（多数小于 10μm）[4]。
三、钛合金的耐腐蚀性及防护措施
钛合金在海洋、化工等环境中易发生局部腐蚀，其防护技术是拓展应用的关键。
3.1 局部腐蚀类型及机制
3.1.1 点蚀
卤素离子（Cl⁻、Br⁻）破坏钝化膜，形成蚀坑并引发自催化效应。例如，TC4 在 3.5% NaCl 溶液中，Cl⁻浓度从 0.9% 增至 10%，点蚀坑尺寸显著增大，腐蚀速率提高 3 倍 [5]。
3.1.2 应力腐蚀开裂（SCC）
深海环境中，低温（<0℃）和高静水压力（>10MPa）加剧 SCC，TC4 在 3.5% NaCl 溶液中，应变速率 2.5×10⁻⁶/s 时，增材制件的断裂时间比锻件缩短 40%[1,5]。
3.1.3 氢致开裂（HIC）
氢原子渗入 α 相形成脆性氢化物，TC4 在充氢 24h 后，α/β 相界面出现裂纹，延伸率下降 25%[5]。
3.2 防护措施
3.2.1 合金化
添加 Mo、Zr 等元素提升耐蚀性：Ti-5Mo 合金在 10% HCl 中腐蚀速率比纯 Ti 降低 60%；Ti-12Zr 合金表面形成 TiO₂-ZrO₂复合膜，点蚀敏感性显著降低 [5]。
3.2.2 表面改性
激光熔覆涂层：TiMoNbCr 涂层在 3.5% NaCl 中自腐蚀电位（-0.230V）高于 TC4（-0.397V），耐蚀性提升 40%[5]。
石墨烯涂层：化学气相沉积的石墨烯膜可将 TC4 在酸性氟化物中的腐蚀速率降低 50%，因二维结构阻隔离子渗透 [5]。
3.2.3 热处理
800℃退火处理使 Ti-54M 合金在 2M HCl 中的耐蚀性提升 30%，因 β 相比例增加抑制氢扩散 [5]。
四、挑战与展望
4.1 现存问题
增材制造：应力腐蚀敏感性高（SLM 制件在 NaCl 中 SCC 速率比锻件快 30%）、大型构件形性刂颇眩ㄈ扔αΦ贾卤湫瘟看� 0.5mm/m）[1]。
成本控制：TC4LCA 虽降低材料成本，但热弯曲工艺的能耗比传统冷加工高 15%[4]。
评价体系：缺乏针对增材制件的耐蚀性标准，现有 GB/T 39254-2020 未涵盖深海环境适应性评估 [1]。
4.2 发展方向
技术融合：开发固相增材制造（如搅拌摩擦增材），实现无孔隙成形，目标是获得锻件级组织（致密度 > 99.9%）[1]。
智能调控：基于机器学习优化热处理参数，预测 TC17 合金的强度偏差在 ±5MPa 内 [2]。
长效防护：研发自修复涂层（如含缓蚀剂的石墨烯复合膜），使钛合金在深海环境中的服役寿命从 10 年延长至 20 年 [5]。
总结
钛合金加工技术正朝着高精度、低成本、高性能的方向发展。增材制造突破复杂结构成形瓶颈，热处理实现性能精准调控，激光熔覆推动高端构件修复再制造，低成本合金拓展民用市场。然而，应力腐蚀、各向异性、评价体系缺失等问题仍需解决。未来需通过多工艺融合、材料 - 工艺 - 性能匹配性研究及标准化建设，推动钛合金在极端环境中的规模化应用，为海洋强国、航空强国建设提供核心材料支撑。
参考文献
[1] 王晋忠，柴斐，汪卓然，等。增材制造技术在水下钛合金装备建造中的应用现状及展望 [J]. 电焊机，2025, 55 (1): 19-27.
[2] 郭萍，强菲，王欢，等。热处理工艺对大规格 TC17 钛合金棒材组织与力学性能的影响 [J]. 钛工业进展，2024, 41 (3): 19-23.
[3] 张伟，黄璇璇，冯云彪，等。激光熔覆修复 TC17 钛合金显微组织与力学性能研究 [J]. 四川大学学报 (自然科学版), 2025, 62 (1): 10-16.
[4] 张涛，陈利华，程远，等。低成本钛合金厚板热弯曲工艺与组织性能 [J]. 锻压技术，2025, 50 (1): 92-100.
[5] 陈李倩，梁孟霞，林冰，等。钛合金的局部腐蚀类型及防护措施 [J]. 粉末冶金工业，2024, 34 (6): 144-153.
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