发布日期：2026-4-7 8:48:38
钛合金因其密度低、耐腐蚀、力学性能优异以及良好的生物相容性[1-2]等特点，被广泛应用于航空航天、武器制造、生物医疗、运动、船舶等领域[3-5]。Ti-6Al-4V 钛合金作为一种典型的 Ti-Al-V 系马氏体（α+β）双相钛合金（国内钛合金标号：TC4），凭借其良好的力学性能以及耐腐蚀性在航天、化工等众多领域得到广泛应用，其用量占据钛合金总应用量一半以上[7-8]，热处理是调控材料宏观力学性能的最高效且典型的手段之一。研究人员通常通过科学的控制退火温度、保温时间、冷却方式等技术指标，来调控材料的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，从而优化材料性能。在热处理过程中，温度是驱动合金发生同素异构的转变的主要因素、时间控制着转变的程度、而冷却方式决定着转变产物的均匀性。
退火是最常见的钛及其合金的非强化热处理方式，按退火温度区分可划分为：去应力退火、（α + β）两相区退火、β 区退火。退火的主要目的是消除材料内部残余应力、并通过相变的进行获得稳定的组织及均衡的综合性能。而固溶+时效处理作为一种强化热处理，则是通过在中间温度分解高温下快速冷却得到的非稳定组织，从而强化合金某些特定性能。
近些年来，随着传统热处理工艺的成熟以及材料加工行业的迅速发展，将传统热处理工艺与能量场、元素添加、材料加工及理论计算相结合的新型热处理技术也应运而生。例如，在热处理的同时，利用磁场或电场促进再结晶过程进行的场辅助热处理；通过充氢、热处理、析氢的过程细化钛合金组织结构的元素添加型热处理等，均是目前钛及其合金热处理研究相关的热点。
此前，关于通过热处理改善 Ti-6Al-4V 钛合金组织结构和力学性能的研究已较为丰富，但相关综述文章较少，且对集中于传统热处理方式。本文将对前人有关 Ti-6Al-4V 钛合金的热处理工艺的探索进行总结和系统论述，在分析不同热处理工艺及其参数（如温度、时间）对微观组织演变与力学性能影响关系的同时，针对热处理工艺研发模式的数字化、智能化及应用场景的拓展与深化两大趋势进行展望，以期能对 Ti-6Al-4V 钛合金后续的应用以及热处理工艺参数的设定提供理论依据。
1、Ti-6Al-4V钛合金热处理工艺
1.1退火
退火工艺是最传统的钛合金热处理方式之一[8]，属于非强化热处理工艺[9]，其机理是通过加热驱动晶体结构回复、再结晶及平衡相组成，以消除合金内部在材料加工过程积蓄的内应力，并通过调控相组成及形态，、提高材料的均匀性、塑性及稳定性。按照退火温度范围分类，可以将Ti-6Al-4V钛合金的退火工艺划分为去应力退火、(α+β)两相区退火(再结晶退火)、β区退火。
去应力退火主要应用于消除机械切削、冲压、焊接等加工形式引入的内应力。通常在480℃~650℃进行，此温度区间低于Ti-6Al-4V钛合金的再结晶温度，因此在去应力退火过程中材料内部原子发生迁移、位错发生运动，使晶体缺陷发生重组和湮灭，前序加工积累的弹性应变能得到释放，从而在不改变材料原始组织性能的前提下，降低或消除内应力。
两相区退火主要用于提高材料塑性以及韧性，通常在再结晶温度以上80-100℃与β转变温度(Tβ)以下30-50℃之间的温度区间进行，在此过程中，经过加工产生的变形组织发生回复，畸变晶粒逐渐向无畸变的新晶粒转变，并伴随晶粒长大。
β区退火通常在T β 以上30-50℃进行，可使材料的抗蠕变能力相较于两相区退火进一步提高，但强度和塑性通常有所下降。此时Ti-6Al-4V钛合金进入全β相态，在后续冷却过程中，β相中会析出α相，呈集束状片层结构，即网篮状组织或魏氏组织。粗大的片状组织结构可有效阻碍裂纹的扩展，使材料的断裂韧性提高，且片状组织在高温下有良好的稳定性。
1.2固溶处理与时效处理
固溶处理与时效处理通常组合应用于钛合金的热处理中[11]，是一种典型的强化热处理[8]。
对于Ti-6Al-4V钛合金这种(α+β)双相钛合金而言，固溶处理通常在两相区温度(推荐890℃~970℃)进行，目的是使合金元素能够充分、均匀地溶解在基体当中，促进组织的均匀化转变，固溶处理通常通过快速冷却的方式使高温下固溶体的均匀状态能够在室温下保留。
时效处理通常在480℃~600℃之间进行，此过程能够促进合金中部分元素的析出。
2、传统热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金组织与性能的影响
2.1传统热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金组织的影响
温度是驱动同素异构的转变的主要因素[6]，掌握合金在不同温度下微观组织的变化规律，对于提高热处理加工的效率和科学性至关重要。通常，Ti-6Al-4V钛合金的再结晶温度和β转变温度是划分组织转变行为的重要分界线。本章节将从温度角度分析热处理过程中合金的组织演变。
2.1.1退火对Ti-6Al-4V钛合金组织的影响
当退火温度低于再结晶温度时，材料内部基本不发生再结晶，主要的微观运动形式是原子迁移、位错运动和晶体缺陷的重组与湮灭。由于去应力退火通常在再结晶温度以下进行，故对合金开展去应力退火不会造成组织的明显变化。
在去应力退火对Ti-6Al-4V钛合金微观组织演变的相关研究中，陈佳庆[12]指出，去应力退火对微观组织的影响不大，仅有部分α ′相会发生轻微溶解，其余组织未发生明显变化。进一步研究显示，即使在多次去应力退火下，组织结构的转变依然微弱，蔡美超[13]在对Ti-6Al-4VELI钛合金多重去应力退火的研究中发现，在三重去应力退火下，相组成、相比例以及平均晶粒尺寸与原始退火态显微组织基本一致,仅次生α相会由片层状向等轴状转变。
进一步升高温度，温度达到再结晶温度并低于β转变温度时，合金微观组织发生再结晶行为，具体表现为:变形组织逐步回复，畸形的晶粒逐渐向无畸变的新晶粒转变，并有长大的趋势。故对合金材料开展两相区退火能够改善微观组织的α相和β相两相比例、优化晶粒尺寸以及晶粒比例，但退火温度过高会导致晶粒过度粗化。
在两相区退火相关研究中，周茂华[14]对Ti-6Al-4V钛合金板材在进行720-850℃之间退火，与原始组织相比，720℃-780℃之间的退火仅发生了回复行为，再结晶行为不明显，当温度上升至800℃时，逐渐出现等轴初生a相+转变β相组织。王庆娟[15]对航空发动机Ti-6Al-4V钛合金叶片进行退火处理研究中也得到了类似的结论，当叶片在600-850℃之间进行退火时，发现随着退火温度上升，晶粒逐渐恢复至等轴态。孙皓[6]进一步指出，温度驱动再结晶过程的进行，温度越高发生再结晶的晶粒越多。
退火温度高于β转变温度的退火工艺被称为β退火，此时 Ti-6Al-4V钛合金进入全β相态，在后续冷却过程中，β相中会析出α相，呈集束状片层结构，形成网篮状组织或魏氏组织。
黄正阳[16]对热轧态Ti-6Al-4V钛合金两相区退火和β退火工艺下的微观组织进行对比，指出:与两相区退火形成的以等轴α相+晶间β相不同，β退火组织主要由针状马氏体α'与亚稳态β相构成，呈现网篮状组织。谭海波[17]在研究β退火温度对Ti-6Al-4V钛合金组织的影响时指出，温度是驱动晶粒尺寸长大的动力，并将β退火过程中β相晶粒长大总结为再结晶形核阶段和粗化两个阶段。再结晶形核阶段指退火过程中，残留β相或晶界处会率先形成晶核，并随着a相的溶解占据位置，形成完整的β晶粒;粗化阶段指随着温度升高，原子扩散能力变快，驱动β相晶粒的长大。
2.1.2固溶时效处理对Ti-6Al-4V钛合金组织的影响
Ti-6Al-4V钛合金的固溶处理在两相区进行，并采用水淬，此工艺可在保留初生α相的同时，令高温β相以过饱和形式保存到常温，最终获得等轴α相、过饱和的β相以及α'马氏体组织。时效处理则是将水淬后的得到的亚稳相(过饱和的β相以及α'马氏体)在中等温度下分解成弥散的次生a相和β相。
王悔改[18]在对Ti-6Al-4V钛合金热处理工艺的研究中指出，经过固溶淬火后合金的显微组织主要由等轴化的α相、片层状次生α相、以及晶界不完整的β相组成，而时效处理能够使亚稳态的β相以及次生a相发生分解，恢复合金晶界的完整性和组织均匀性。李强[19]在对Ti-6Al-4V钛合金固溶温度对组织的影响相关研究中指出，随着固溶温度的升高，合金中等轴a相数量减少并部分转化为β相，在常温下以残余β相转变基体的形式存在，而等轴a相平均尺寸变化不大。此外，李强发现时效处理后，合金中等轴a相的尺寸和含量未发生明显改变，但β转变基体上析出了次生片层状α相，且随着时效处理温度的提高，片层状α相尺寸也有所上升。
2.2传统热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响
热处理温度决定了微观组织的转变，而微观组织的转变又会影响宏观力学性能。因此，构建热处理温度、微观组织与宏观力学性能之间的关联，总结普遍适用性规律，对材料热处理方法的研究具有极其重要的意义。Ti-6Al-4V钛合金作为一种双相钛合金，其两相比例、晶体形貌、粒径等因素共同影响其宏观力学性能。
2.2.1退火对Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响
如前所述，Ti-6Al-4V钛合金的退火工艺可以根据再结晶温度和β转变温度划分为:去应力退火、两相区退火以及β区退火。
在退火温度低于再结晶温度时，由于微观组织形貌变化不大，仅有少量a'相会发生轻微溶解。由于a'相是强化相，且去应力退火能够有效较少位错，减少晶体缺陷。因此，经过去应力退火的Ti-6Al-4V钛合金相较于未退火状态，强度会发生轻微的降低，硬度轻微上升。
陈佳庆[12]在研究去应力退火对 Ti-6Al-4V钛合金 K-TIG焊缝接头组织以及性能的研究中发现，去应力退火使熔合区(FZ)和热影响区(HAZ)的微小的α ′相溶解，提高了组织均匀性，从而使接头显微硬度上升，且不同区域内显微硬度的均匀性也有所改善。在强度方面，由于去应力退火后位错密度的减小及合金均匀化程度的提高，接头的强度略有下降，延伸率有10%左右的提高。
在两相区温度退火时，退火过程中会有再结晶行为的进行，畸变、无序的组织向有序、等轴的组织转变。随着再结晶过程的进行以及组织的形貌回复，材料的强度有所上升。
周茂华[14]对Ti-6Al-4V钛合金的两相区退火研究显示，随着温度的升高，再结晶过程进行的同时，组织逐渐趋于等轴化，材料的抗拉强度和屈服强度均呈现上升的趋势，并在达到一定温度后趋于稳定。王庆娟[15]的研究中也指出，Ti-6Al-4V钛合金在两相区之间进行退火时，随着温度的上升，显微硬度逐渐下降，这归因于晶粒逐渐回复至等轴态。
当退火温度高于β转变温度时，冷却后形成的粗大的片状组织结构可避免裂纹的扩展，提高材料的断裂韧性。此外，片状组织在高温下有良好的稳定性，使材料拥有高于两相区退火的抗蠕变性，但强度和塑性低于前者。
黄正阳[16]对 Ti-6Al-4V钛合金分别开展两相区退火及β退火进行比较,经过两相区退火的试样抗拉强度优于后者约100MPa，伸长率优于后者60%，而经过普通退火试样的断裂韧度仅为β退火的试样的75%~80%。谭海波[17]进一步指出，β晶粒尺寸、α集束尺寸以及α片层厚度共同影响β退火后材料力学性能，随着晶粒尺寸的增大，材料的强度指标先上升而后下降，而材料的塑性呈单调下降趋势。
表 1 Ti-6Al-4V合金不同β温度退火后的力学性能[17]
Table 1 Mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloyβ annealed at different temperatures
| 热处理制度 | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% | Z/% |
| (Tβ+10)℃x45 min,AC | 934 | 865 | 9.5 | 19 |
| (Tβ+20)℃x45 min,AC | 945 | 891 | 10.5 | 19 |
| (Tβ+30)℃x45 min,AC | 935 | 892 | 9.0 | 18 |
| (Tβ+40)℃x45 min,AC | 929 | 874 | 8.0 | 17 |
| (Tβ+50)℃x45 min,AC | 903 | 848 | 7.5 | 20 |
2.2.2固溶时效处理对Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响
王悔改[18]认为，在固溶淬火后，在室温下以增强相存在的马氏体a"相以及残留的亚稳态β相有助于提高合金的强度以及硬度;而β相界的破坏以及等轴a相的扭曲会诱发材料的塑性损失。随后的时效处理过程中，马氏体a"相以及亚稳态β相的分解以及材料均匀性的改善使得材料的强度以及硬度进一步提高、材料的塑性有所回复，推动合金的综合性能改善。
李强[19]指出，当选取可以获得较多体积分数的β相的温度作为固溶处理温度时，能够为后续时效处理析出强化相次生a相提供机会，并提出了固溶时效处理后，组织中a相的含量增高，合金强度减小，塑性增加的观点，β相规律与之相反。
3、新型热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金组织与性能的影响
近年来，随着钛合金应用的增加，研究人员们开发出了许多新型热处理方式。例如，循环热处理、场辅助热处理、氢处理等。与传统热处理相比，这些新型热处理通过引入物理场、化学元素以及热循环过程改变合金的相变动力学，突破传统工艺的性能极限，解决特殊场合的加工以及性能需求。
3.1循环热处理工艺对 Ti-6Al-4V钛合金组织与性能的影响
循环热处理是一种利用在两相区或β区反复退火，通过晶粒不断的分割和细化，最终同步优化材料的强度和塑性的新型热处理方法，其最终组织为三态组织，由等轴a相、条状a相以及转变β相共同组成。通过不断的相变，在旧的相界面上产生新的形核点，β晶粒或a片层集束尺寸能够显著细化。
何军利[20]利针对优化魏氏体组织对 Ti-6Al-4V钛合金进行循环退火，其工艺为在保证初次退火工艺不变的情况下改变第二次退火的温度由800℃递减至650℃，每组间隔50℃，循环9次。显微观察发现在循环过程中，魏氏体组织转变为长条状a相，且随着二次退火温度的降低，晶粒的长径比逐渐减小，魏氏体组织形貌得到改善并且有等轴α相出现。陆莹[21]对 Ti-6Al-4V钛合金焊缝接头位置进行循环退火，两次退火均在两相区进行，两次退火分别采用水冷、空冷作为冷却方式。其指出，初次热处理的目的在于控制等轴a相的体积分数，二次热处理的目的为控制条状a相的长径比以及体积分数。通过对此过程的多次循环后发现，随着循环次数的增加，晶粒长径比呈下降趋势，这有助于在焊缝区以及热影响区得到球状组织，此现象对材料延展性的提升具有帮助，但循环次数过多会出现晶粒粗大的情况。宏观力学性能上，循环热处理工艺能够使焊缝以及热影响区附近的硬度更加接近母材，强度以及延伸率均有所提高，但循环次数过多会产生性能退化，这与晶粒粗大有关。
3.2场辅助热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金组织与性能的影响
利用磁场或电场等外部物理场来影响热处理过程也是近年来出现的一种热处理方式。电场辅助热处理又称电塑加工，在加工过程中对材料通过高能电流，对材料进行刺激，这样可使材料具有优异的力学性能[22-24]。此过程由焦尔效应与电致迁移效应两种效应共同驱动，焦尔效应促进合金局部升温;电致迁移效应以及电子风共同促进相变以及位错滑移。磁场辅助热处理是一种在传统热处理过程中施加磁场影响析出相动力学参数，改变原子扩散路径、诱导相排列的一种热处理方式。
许尚峰[22]对 Ti-6Al-4V钛合金进行电场辅助热处理，发现电场辅助热处理能有效降低材料的相变温度和再结晶温度，与传统工艺相比，再结晶温度下降100℃左右。在热效应(焦尔效应)和非热效应(电致迁移效应)共同作用下,相变过程与等轴化过程同步进行的同时,位错的均匀分布和扩散也在发生,使得材料的延展性提升近一倍。
近年来，研究人员将目光投入利用场辅助热处理与材料加工相结合的新型成型加工场景。江双双[23]等将电场辅助热处理引入Ti-6Al-4V板材的滚弯成型工艺，其认为通过电场辅助热处理对材料的局部升温过程，能促进再结晶行为的进行，与相同状态下的传统热处理工艺相比，电塑性效应能使合金板材具有较低的变形抗力;且经过电场辅助热处理的板材在滚弯成型之后具有良好的表面质量和加工性能。梁杰24将电场辅助热处理与车削加工Ti-6Al-4V钛合金相结合，相较于一般车削过程，电场辅助热处理为材料提供了动态再结晶过程，再结晶过程有效的减轻了加工硬化，表面粗糙度下降35.7%，疲劳寿命提高14.9倍。
李桂荣[25]团队率先将脉冲强磁场应用于辅助固溶处理的Ti-6Al-4V钛合金板材，通过调整磁感应强度B的不同，探索磁场对钛合金微观组织的影响。实验结果表明，随着磁感应强度的升高，合金中a相的比例逐渐上升，这表明磁场能够促进β相向a相的转变，并且由于磁致塑性效应以及位错堆积效应的共同影响，经过磁场处理后的合金位错密度增加，在提高材料强度的同时提高塑性。
3.3氢处理工艺对 Ti-6Al-4V钛合金组织与性能的影响
氢处理是一种将氢作为一种临时元素，通过充氢、热处理、析氢的过程细化钛合金组织结构的处理方式，其主要机理是利用氢元素的添加降低合金的相变温度，改变钛合金两相之间的比例以及生成动力学，最后通过真空除氢工艺使氢化物分解逸散，从而得到细化微观组织，优化材料加工性能。
刘文富26对钛合金的充氢-析氢过程进行研究指出，对 Ti-6Al-4V钛合金添加一定量的氢元素能够提高材料的拉伸强度及表面硬度，但过多的氢元素的添加会导致钛原子晶格间隙减少、氢原子无法扩散，形成氢化物从而损失钛合金的性能。析氢会进一步提高合金的力学性能，其原因在于氢化物分解时a相生成大量的位错，从而导致材料性能与原材料相比两倍表面硬度的提高。
4、总结与展望
Ti-6Al-4V钛合金在长期的应用与实践中已经拥有良好的传统热处理经验，并在此基础上开发出许多创新的热处理工艺和路径，例如，形变热处理通过将热加工与热处理相结合，有效使材料的微观结构得到细化。场辅助热处理将热处理与物理场相结合，在降低能耗的同时为控制相变的进行提拱了新的路径。元素添加热处理更是通过元素的添加与析出的方式控制合金中相的组成。这些由传统热处理方式与其他理论工艺的结合精确地善材料的微观结构以及相的组成，从而达到预期的材料性能要求。
面向绿色与高质量发展的未来，未来的热处理技术将呈现两大趋势:
1.基于多尺度计算材料学以及人工智能的模拟计算与预测，能够转变传统热处理实验的“试错法”实验思路。构建热处理工艺-组织结构-材料性能的数字化模型，能够大幅度缩减试验范围，加快试验进度，减少材料以及能源的消耗，实现热处理工艺的绿色化、智能化制定。
2.面对增材制造等新型制造技术产生的非平衡组织，利用热等静压和激光快速退火等热处理技术具有巨大的潜力。然而，这些热处理方式目前正处于实验室阶段以及小型化阶段。如何将这些实验室成果转化为稳定、可靠的工业化生产工艺，并建立相应的质量控制标准，仍是当前面临的核心挑战与未来的研发重点。
综上所述，今天对于Ti-6Al-4V钛合金的传统热处理工艺已经趋于成熟及稳定，未来热处理工艺的发展将沿着数字化、复合化以及定制化的道路持续发展，以满足在高质量发展时代人们对材料性能的需求。
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（注，原文标题：热处理对Ti-6Al-4V钛合金微观结构与力学行为影响的研究进展_杨复林）
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