发布日期：2025-8-14 15:57:39
钛合金以其高强度、低密度、出色的耐腐蚀性以及良好的生物相容性，在航空航天、海洋工程、生物医疗等众多领域中占据着举足轻重的地位。随着高端装备制造业对材料性能的要求持续攀升，传统的加工工艺在精度、成本以及复杂结构成形等方面暴露出诸多不足，这促使了增材制造、激光熔覆、热处理优化等一系列先进技术不断涌现并快速发展。本文全面且系统地梳理了钛合金加工工艺的最新研究成果，深入剖析了不同工艺对材料组织与性能的影响机制，旨在为其在实际工程中的应用提供坚实的理论基础与有效的技术支持。
近年来，钛合金加工技术呈现出多维度创新的发展态势。增材制造技术打破了传统减材加工的局限性，实现了复杂结构的近净成形；热处理工艺通过精确调控温度和冷却速率，对合金的相组成和晶粒结构进行优化；激光熔覆技术在构件修复和性能强化方面展现出独特优势；低成本钛合金的热弯曲工艺则为其大规模应用提供了经济可行的解决方案。这些技术的相互融合与协同应用，正在重塑钛合金材料的制备和应用格局。
当前，钛合金研究的核心关注点聚焦于性能与工艺的匹配性，即如何通过优化加工参数来实现强度与塑性的平衡，如何提升钛合金在深海等极端环境下的耐腐蚀性，以及如何在降低制造成本的同时确保材料的可靠性。本文综合了五篇具有代表性的研究成果，从材料特性、工艺创新、性能评价以及应用挑战四个维度展开深入分析，为相关领域的研究和工程实践提供了全面而详尽的参考。
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，加入诸如Al、V、Mo、Cr等其他合金元素所形成的金属材料。其密度约为4.5g/cm³，仅为钢的60%，但抗拉强度却可高达1000MPa以上，比强度（强度/密度）相较于钢和铝合金具有显著优势。钛合金优异的耐腐蚀性源于其表面极易形成的致密氧化钛（TiO₂）钝化膜，该膜具备自修复能力，能够在含氧环境中迅速再生，从而有效地阻挡腐蚀介质的侵入。
依据相组成的不同，钛合金可划分为三类：
1.α钛合金：这类合金含有α稳定元素，如Al、Sn等。在室温下，其主要由α相（密排六方结构）构成，具有出色的焊接性和抗氧化性。典型牌号如TA2，常用于化工设备以及医疗器械等领域。
2.β钛合金：含有β稳定元素，如Mo、V等，室温下以β相（体心立方结构）为主。β钛合金具有较高的塑性和良好的可热处理性，例如TB10合金，在航空航天领域的高强度构件制造中应用广泛。
3.α+β钛合金：同时含有α和β稳定元素，兼具了两者的优势。应用最为广泛的TC4（Ti-6Al-4V）和TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo）均属于此类。其中，TC4常用于通用结构，而TC17因其高强韧性成为航空发动机压气机盘的核心制造材料。
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、轻量化以及耐压性能有着极为严苛的要求。钛合金凭借自身的特性，逐渐取代传统的钢铁和铝合金，成为水下装备制造的首选材料。例如，深海潜水器的耐压壳体采用TC4钛合金制造，能够承受万米水深所产生的约100MPa静水压力；螺旋桨等动力部件通过增材制造技术成形，不仅实现了减重20%以上，还显著提高了推进效率。中国船舶集团运用激光熔化沉积（LMD）技术制造的钛合金螺旋桨，直径达800mm，材料利用率从传统锻造的20%-30%大幅提升至95%，加工周期也缩短了70%。
1.2.2航空航天领域
航空发动机的压气机盘、叶片等关键部件需要在高温（300-500℃）和高应力的恶劣环境下服役。TC17钛合金因其出色的蠕变抗力和疲劳性能而被广泛应用。通过两相区锻造和时效处理，其抗拉强度能够达到1100MPa以上，延伸率保持在10%以上。激光熔覆技术在整体叶盘修复中的应用，使损伤部件的力学性能恢复至锻件标准的93%，极大地降低了更换成本。
1.2.3低成本民用领域
传统钛合金由于加工成本过高，限制了其在民用领域的大规模应用。TC4LCA等低成本合金通过对Fe、O元素含量进行优化，成功将生产成本降低了25%，同时仍保持着屈服强度1000MPa、抗拉强度1033MPa的优异性能，适用于汽车零部件、化工管道等民用领域。
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）通过逐层堆积材料的方式实现构件的成形，突破了传统铸造、锻造工艺对复杂结构的限制。其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
4.成形尺寸：SLM受真空舱室的限制，最大成形尺寸约为1258×1258×1350mm（如易加三维EP-M1250设备），适用于制造中小型精密构件；而LMD和WAAM则能够制备数米级的大型部件，可满足水下装备90%以上零部件的制造需求。
5.结构复杂度：SLM具备成形镂空、点阵等复杂结构的能力，表面粗糙度Ra可低至10μm；LMD在螺旋桨、空心壳体等非对称结构的制造中优势明显，例如中国船舶集团采用LMD技术制造的空心壳体，加工周期从7天缩短至1天，成本降低了20%。
6.性能达标性：TC4钛合金经过SLM成形后，抗拉强度可达1200MPa，延伸率为8%，满足GJB944A-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，可将孔隙率从0.08%降低至0.01%，从而有效提升韧性。
2.1.2典型应用案例
7.螺旋桨制造：德国RAMLAB运用WAAM技术制备的镍铝青铜螺旋桨，直径达1.35m，并通过了法国船级社的认证；中国采用LMD技术试制的七叶钛合金螺旋桨，重量为30kg，力学性能达到船用标准。
8.压力容器成形：Breddermann团队利用LMD技术制备的TC4半球壳体，经过工艺优化后，抗压强度从7.1MPa提升至29.8MPa，满足了深海装备的耐压要求。
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、消除内应力以及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。
2.2.1TC17钛合金的热处理优化
9.最佳工艺：经过研究发现，800℃固溶2h（水冷）+630℃时效8h（空冷）的工艺组合，能够使合金获得最佳的强塑性匹配，此时合金的抗拉强度为1154MPa，延伸率达到12%。
10.温度影响：在两相区（800-860℃）进行固溶处理时，随着温度的升高，初生α相的含量从60%降至20%，次生α相增多。这一变化导致强度升高，从1195MPa增加至1377MPa，但塑性下降，延伸率从7.5%降至4%。
11.冷却方式：空冷相较于水冷，更容易形成粗大的次生α相，使得强度略高，分别为1195MPa和1174MPa，但塑性降低，延伸率分别为7.5%和10%。
2.2.2各向异性调控
TC17大规格棒材存在明显的各向异性。轴向试样的屈服强度为1136MPa，比径向的1106MPa高2.7%；延伸率方面，轴向为16%，比径向的12%提升了33%。这种各向异性与锻造过程中形成的纤维组织密切相关。
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，特别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
12.最佳参数：研究表明，当激光功率为600W，扫描速度为6mm/s，送粉速率为2g/min时，熔覆层与基材能够实现良好的结合，且无未熔合缺陷。
13.显微组织：熔覆区由细小的针状α相和β相组成，尺寸小于基体。经过时效处理后，会析出短棒状的次生α相，并且随时效时间的延长（从6h延长至12h），次生α相的数量增多，尺寸增大。
2.3.2力学性能恢复
14.室温拉伸：在680℃时效10h后，熔覆层的抗拉强度达到1047MPa，为锻件标准的93%，延伸率为10.2%，远超标准的5%。
15.缺口性能：缺口拉伸强度为1537MPa，在1170MPa应力下的持久时间为5.625h，满足服役要求。
2.4低成本钛合金的热弯曲工艺
TC4LCA合金通过调整Fe、O含量降低了成本，其热弯曲工艺需要在成形精度和力学性能之间寻求平衡。
2.4.1工艺参数影响
16.温度与保压时间：在750℃、保压15min的条件下，当弯曲半径为1.0t（t=12mm）时，回弹角仅为1′，壁厚减薄率为2.3%，综合性能最优。
17.弯曲半径：当弯曲半径从2.0t减小至0.5t时，减薄率从2.3%增至6.7%，回弹角从2′增至9′。这是由于内侧受压、外侧受拉导致应力分布不均匀所致。
2.4.2组织与性能变化
热弯曲后，合金仍然保持着优良的性能。硬度为334HV，达到母材的95%；抗拉强度为1026MPa，达到母材的99%，且晶粒尺寸均匀，多数小于10μm。
三、钛合金的耐腐蚀性及防护措施
钛合金在海洋、化工等环境中容易发生局部腐蚀，因此防护技术成为拓展其应用范围的关键。
3.1局部腐蚀类型及机制
3.1.1点蚀
卤素离子（如Cl⁻、Br⁻）能够破坏钛合金表面的钝化膜，进而形成蚀坑，并引发自催化效应。例如，在3.5%NaCl溶液中，当Cl⁻浓度从0.9%增加至10%时，TC4的点蚀坑尺寸显著增大，腐蚀速率提高了3倍。
3.1.2应力腐蚀开裂（SCC）
在深海环境中，低温（<0℃）和高静水压力（>10MPa）会加剧SCC的发生。在3.5%NaCl溶液中，当应变速率为2.5×10⁻⁶/s时，增材制件的断裂时间相较于锻件缩短了40%。
3.1.3氢致开裂（HIC）
氢原子渗入α相后会形成脆性氢化物。TC4在充氢24h后，α/β相界面会出现裂纹，延伸率下降25%。
3.2防护措施
3.2.1合金化
通过添加Mo、Zr等元素可以提升钛合金的耐蚀性。例如，Ti-5Mo合金在10%HCl中的腐蚀速率比纯Ti降低了60%；Ti-12Zr合金表面形成的TiO₂-ZrO₂复合膜，使其点蚀敏感性显著降低。
3.2.2表面改性
18.激光熔覆涂层：TiMoNbCr涂层在3.5%NaCl中的自腐蚀电位为-0.230V，高于TC4的-0.397V，耐蚀性提升了40%。
19.石墨烯涂层：采用化学气相沉积法制备的石墨烯膜，可将TC4在酸性氟化物中的腐蚀速率降低50%，这主要得益于石墨烯的二维结构能够有效阻隔离子的渗透。
3.2.3热处理
对Ti-54M合金进行800℃退火处理，能够使其在2MHCl中的耐蚀性提升30%，这是因为β相比例的增加抑制了氢的扩散。
四、挑战与展望
4.1现存问题
20.增材制造：存在应力腐蚀敏感性高的问题，例如SLM制件在NaCl溶液中的SCC速率比锻件快30%；同时，大型构件的形性控制难度大，热应力导致的变形量可达0.5mm/m。
21.成本控制：虽然TC4LCA降低了材料成本，但热弯曲工艺的能耗相较于传统冷加工高15%。
22.评价体系：目前缺乏针对增材制件的耐蚀性标准，现有的GB/T39254-2020标准未涵盖深海环境适应性评估。
4.2发展方向
23.技术融合：开发固相增材制造技术，如搅拌摩擦增材，目标是实现无孔隙成形，获得致密度大于99.9%的锻件级组织。
24.智能调控：基于机器学习技术优化热处理参数，使TC17合金强度偏差的预测控制在±5MPa以内。
25.长效防护：研发具有自修复功能的涂层，如含缓蚀剂的石墨烯复合膜，将钛合金在深海环境中的服役寿命从10年延长至20年。
总结
钛合金加工技术正朝着高精度、低成本、高性能的方向不断发展。增材制造技术突破了复杂结构成形的瓶颈，热处理工艺实现了性能的精准调控，激光熔覆技术推动了高端构件的修复再制造，低成本合金则拓展了民用市场。然而，应力腐蚀、各向异性以及评价体系缺失等问题仍然有待解决。未来，需要通过多工艺的融合、材料-工艺-性能匹配性的深入研究以及标准化建设，推动钛合金在极端环境中的规模化应用，为海洋强国、航空强国等国家战略的实施提供核心材料支撑。
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.
tag标签:钛合金