高温钛合金的制备与热处理

一、高温钛合金的制备技术

A、熔炼法

1）真空自耗电弧熔炼（VAR）

真空自耗电弧熔炼（VAR）是一种利用电弧加热的熔炼技术， 在真空环境中，电弧在原料与电极之间产生， 电弧的高温使得原料迅速熔化，形成熔池， 熔化的金属在重力作用下流入下方的模具中，冷却后形成铸锭。 其优点在于，技术成熟，设备投资低，生产效率高。尽管 VAR 技术在钛合金熔炼中应用广泛，但仍存高/低密度夹杂物的形成，成分偏析等问题，影响合金的力学性能。

2） 电子束冷床熔炼(EBCHM)

电子束冷床熔炼（EBCHM）是一种利用高能电子束加热金属的熔炼技术， 在真空环境中， 利用高速运动的电子的动能作为热源， 电子枪发射的高能电子束聚焦到金属原料上，产生的热量使金属迅速熔化， 熔化的金属在冷却床上凝固，最终形成铸锭。

EBCHM 由于电子束的能量密度高，可以在较短时间内将金属加热到熔化温度，具有加热速度快、温度控制精确的优点。然而， EBCHM 技术也存在一些问题，其设备的制造和维护成本较高，尤其是电子枪和真空系统的复杂性，限制了其在小规模生产中的应用。虽然电子束加热速度快，但熔池的流动状态和温度控制仍然存在一定的难度，可能导致合金成分不易控制。

3） 等离子冷床熔炼(PACHM)

等离子冷床熔炼（PACHM）是一种利用等离子弧加热金属的熔炼技术，以惰性气体或还原性气体作介质， 以等离子枪发射的等离子弧作为热源， 等离子弧产生的高温将金属原料熔化， 熔化的金属在冷床上凝固，形成铸锭[58,59]。 PACHM 的优点在于，运行环境为近大气压的惰性气氛，可防止高挥发性元素的挥发，可实现对元素含量的精确控制。 其缺点在于，设备费用昂贵，等离子枪寿命较低，运行过程中须消耗大量的惰性气体和耐火材料。

B、粉末冶金法

粉末冶金技术（Powder metallurgy, PM），即粉末混合→烧结，是一种成分可控， 材料利用率高，组织均匀， 减少偏析， 低成本，工艺流程简单的制备方法。 有学者通过粉末冶金法开发了一种Ti-6Al-4Zr-0.5Mo-0.6Si（wt. %） 的新型近 α 高温钛合金，结果表明 PM 钛合金具有均匀 α+β 两相微观组织，硅化物分散均匀，无粗硅化物偏析沉淀。还有研究者通过粉末冶金制备了TA15高温钛合金，研究了合金在高温下的软化机理，进一步说明粉末冶金在制备钛合金的可行性。

烧结过程是粉末冶金材料制造的核心部分，它直接决定了烧结后块体的相对密度和力学性能。在烧结之前通过机械球磨（BM） 可以有效地提高粉末的表面质量和活性，从而影响最终的烧结性能。 其中，放电等离子烧结技术（SPS）作为一种先进的粉末冶金制备技术，一方面， 可通过外部施加压力可以促进粉末颗粒的接触，消除孔隙率并增加烧结的驱动力，从而增强致密化程度，降低所需的烧结温度；另一方面，脉冲电流施加到导电石墨冲头和模具上时，会形成等离子体可实现快速升温， 相较于传统的热压（HP）、热等静压（HIP）、微波烧结（MS），具有升温速度快、烧结时间短、能耗低等特性。有学者通过 SPS 以 100±5℃/min 的加热速率， 快速烧结制备 SiCNWs 增强 Ti60 高温钛合金， 成功缓解了 SiC 和 Ti 之间的化学反应，使合金的高温强度得到了进一步提升。有学者采用BM与 SPS 技术相结合，通过调整BM 中的球料比来控制合金的微观组织，使晶粒分布均匀，晶粒尺寸细化，制备了一种具有优异屈服强度新型Ti-O合金。

二、高温钛合金的热处理

热处理是改善合金组织及力学性能的重要手段之一， 在钛合金中通过调整初生和次生α相的比例、大小和形态，从而实现合金强韧性的综合提升。其中， 固溶时效处理是近 α 高温钛合金最常见的热处理工艺。

有学者研究了不同固溶温度处理对 Ti-6Al-3.5Sn-4.5Zr-0.5Mo-0.4Si-0.7 Nb-2.0Ta-0.1Er-0.06 C（wt.%） 近 α 高温钛合金组织及力学性能的影响，研究发现随着固溶温度的升高，初生 α 逐渐减少，而 β 转变组织 βt 逐渐增多，在 1000℃固溶时，合金的极限抗拉强度提高了 119 MPa， 延伸率增加了 18.7%。

有学者研究了两步固溶+时效处理对 Ti-6Al-4Sn-8Zr-0.8Mo-1W-1Nb-0.25Si（wt.%）近 α 钛合金组织及蠕变行为的影响，在第一步固溶处理时，引入高温 β-Ti 相，在冷却过程中， 将 β-Ti 相转化为马氏体并在 α+β 两相区域分解，形成 β 转变组织 βt 基体，在第二步固溶处理时，将形成的等轴状和片状 α 粗化，最后通过时效处理稳定微观结构， 最终制备了具有三种微观组织的合金，提高了合金的抗蠕变性。

有研究者对 Ti-5.86Al-3.69Sn-3.56Zr-0.99Mo-0.36Nb-0.38Si-0.18Ta-0.13O-0.011C（wt.%） 近 α 钛合金进行不同固溶温度和时效温度处理，研究发现，固溶温度对合金的微观组织和力学性能有很大的影响，在900℃和 950℃固溶 2h 处理后，得到了双尺度硅化物，从而提高位错运动来提高合金的强度，相比之下时效温度的变化对合金的力学性能的影响可以忽略不计。

固溶温度、时间以及冷却速率对Ti60（Ti-5.8Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd（wt.%） ） 合金 α 相影响的研究发现，随着固溶温度的增加，等轴 α 相的含量逐渐降低， 等轴 α 相和 β 相中 Al 原子的平均浓度升高， Mo 原子的平均浓度在 β 基本保持不变， 随着冷却速率的降低， α 片的大小增加， α 片之间的间距减小。有学者通过优化固溶温度和冷却速率以最大限度地提高近α钛合金 IMI 834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.05C（wt.%） ） 的强韧性， 研究发现， 随着固溶温度的升高，球状 α 颗粒的体积分数和尺寸减小， 从而颗粒间距增加， 随着冷却速率的降低， 球状 α颗粒的体积分数和大小逐渐增加，最终在固溶温度为1029℃和介于油和空气之间的冷却速率（1769 ℃/min），可以最大限度地提高接近 α 钛合金 IMI 834 的强韧性。（参考文献：粉末冶金近α高温钛合金组织及强韧化研究_郑东阳）