钛合金拥有低密度、高比强度、优异的耐侵蚀性和高温不变性，已宽泛利用于航空航天、海洋工程及生物医疗等高端造作领域[1-3]
。其中，超塑性成形(SPF)作为钛合金复杂零件造作的关键技术,可在低流动应力下一次成形拥有复杂状态迪胙合金[4]
。该技术不仅可能在高温环境下接受热负载，同时两全轻量化设计要求，从而有效提升飞行器的推沉迸纂燃油效能[5]
。据统计,全球约80%迪胙合金产量用于航空航天领域[6]
。以美国为例，钛合金在战斗机机身结构资猜中占比达34%，钛合金在民用飞机上的使用量为10%~15%，集中用于机身框架、机翼蒙皮及承沉部件等关键部位[7]
。钛合金在航空领域的利用重要取决于变形和热处置过程中形成的微观结构[8]
。然而，限度钛合金更宽泛利用的重要问题是其室温成形难题[9]
。这重要归因于其密排六方(HCP)α相滑移系有限导致的延展性不及，以及较高弹性模量引起的显著回弹效应[10]
。为克服成形难题，等温铸造技术成为实现钛合金复杂结构整体近净成形的常用伎俩[11]
。该技术基于钛合金在高温下的超塑性行为[12]，可能在低流动应力下实现复杂大型结构件的一步成形[13]
。同时，该技术不仅提高成形精度，还显著缩短整个造作周期，并有效降低残存变形水平[14]
。通常，超塑性流动产生在晶粒尺寸幼于10μm的多晶资猜中，最佳成形参数为温度约为0.5Tm(熔点),应变速度领域在10??s??至10??s??[8]
。通过该工艺，钛合金可实此刻航空发起机中的宽泛利用
。如图1所示，该技术已用来造备航空用迪胙合金部件，如航空发起机的机匣、叶盘、叶片、鼓筒等[15-16]
。由此可见，超塑成形理论与等温铸造工艺的结合，不仅充分阐扬了钛合金的机能优势，还为复杂构件的精密成形奠定了沉要基础[17]
。

在钛合金复杂铸造工艺利用的过程中，等温铸造工艺作为关键的近净成形伎俩，对其组织节造与机能调控能力极为关键
。等温铸造可有效实现晶粒细化与组织均匀化，显著提高钛合金的强度和塑性[18]
。如图2所示，典型钛合金等温铸造流程蕴含:将坯料加热至指标铸造温度后，置于预热至一样温度的模具中，以较低应变速度成形[19]
。成形后需顺次进行热处置强化、表表喷砂(形成防氧化层)和探伤检测,合格后方可入库
。李凯等[20]通过20MN等温锻液压机设备将规格为90mm×140mm的棒材成功加工为复杂锻件
。经双沉退火可获得初生α相含量30%~50%的均匀双态组织
。该工艺选取低变形速度，可有效降低温度梯度对资料机能的不利影响[21]
。另表，等温铸造通过动态再结晶机造细化晶粒至1.9μm，既降低温度梯度引起的残存应力，又使网篮组织均匀性提高40%以上，显著加强资料强度和耐磨性[21-22]
。钻研批注，与传统模锻相比，等温锻件可减轻质量约64%,机加工余量降低超70%,加工周期缩短约5倍,且可取缔多焊接缝结构，提高了关键载荷部位的紧固靠得住性[17]
。值妥贴心的是，相迸宗传统铸造，等温铸造还能推进晶界α2相析出，使Ti600(Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si-0.1Y)/Ti-2Al-Nb异种接头强度提高18%,伸长率提升约150%[23]
。另表,通过将等温铸造利用于β铸造能得到组织散布均匀的网篮组织,从而推动钛合金在双转子航空发起机中的工程化利用[24]
。Jiang等[25]通过等温铸造工艺成功造备出拥有复杂结构迪胙合金机翼构件
。相较通例成形件，等温铸造机翼力学机能显著提升，资料利用率达50%,更好满足航空航天精锻需要
。综上所述，对接传统热锻工艺，等温铸造不仅为复杂航空航天的整体成形提供了有效的解决蹊径，也为异种钛合金结构衔接机能的加强启发了新方向，使其在双转子发起机等高端设备造作中展示出沉大利用价值[26]
。

等温铸造后的热处置工艺可削减甚至解除铸造过程中因塑性变形大、热散布不均匀、相变、加工硬化或动态软化而引起的不均匀组织，调整显微组织描摹，保障在高温空气和持久应力下工作时力学机能的优越性和不变性
。Yang等[27]对BT25(Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si)钛合金在990℃下进行等温铸造,该钻研批注在等温铸造后进行热处置(1000℃×2h+540℃×6h)可有效地实现初生α相的等轴化和组织均匀化
。此表，已有钻研批注在等温铸造后进行双沉退火工艺(900℃×1h+600℃×6h)可实现塑性和断裂韧性的提升[28]
。该技术出格适合对机能要求极高的难变形合金零部件，如大型钛合金多肋部件[29]
。与等温铸造分歧，非等温铸造过程中温度颠簸较大，这导致了模具与物料接触区域的应变和温度较低，造成了组织的显著差距
。由于非等温铸造中温度的剧烈变动，容易产生不均匀的残存应力，必要较长且复杂的热处置工艺以实现组织均匀化并解除组织缺点
。在热处置过程中，像双沉退火等工艺固然可能改善塑性和断裂韧性，但整体的机能一致性相对较差
。Zhang等[30]选取非等温铸造后在870、770和670℃下别离进行非等温铸造，在770和670℃下进行热处置，了局批注，热处置后迪胙合金组织不均匀，等轴α相依然出现拉长状态
。钻研证切实非等温铸造下主题区的应变和温度值相对较高，对动态再结晶过程影响显著[31]
。在这种工艺中，必要通过复杂的热处置来添补组织的不均匀性，适合对机能要求相对中等的零部件出产
。为了满足航空航天等领域对钛合金部件的高机能需要，即便选取了等温铸造工艺，依然必要通过精确节造热处置过程中的参数来调节α/β相的比例和描摹[32]
。钻研批注，选取双沉工艺(750~800℃、空冷+550~650℃、空冷)可有效解除95%以上的残存应力，显著提升航空发起机盘件的尺寸不变性[32]
。因而，精确节造热处置参数对优化组织和提升综合机能至关沉要[21]
。王晓晨等[33]对β相区变形的TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb-Si)钛合金锻件进行了多种热处置造度的组织和机能对比钻研
。单纯形变热处置组织不均匀;强韧化处置形成交错片层α相的网篮组织，强度较高;淬火+时效处置实现强塑性最佳匹配;等温退火虽降低强度但显著改善塑性
。因而，淬火+时效工艺是TC21钛合金较为梦想的热处置工艺
。此表，该工艺已成功利用于工程实际，如美国F-22战机的大型钛合金框梁结构
。选取TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-6-22-22S合金,经β相区热处置后，结构件危险容限能力显著提高[34]
。因而，优化热处置工艺参数成为衔接等温铸造与最终机能调控的关键技术环节
。

本文聚焦于等温铸造后钛合金锻件的热处置工艺,沉点分析温度、保温功夫和冷却速度等关键参数对其显微组织演变和力学机能的影响法规
。通过解析现有热处置工艺，索求精密化热处置技术，实现钛合金机能的精准调控，提升其在航空航天等关键领域的工程合用性与服役安全性
。此表，本文还探求了钛合金热处置工艺的未来发展趋向，为有关钻研和工程利用提供理论领导和参考
。

1、等温铸造钛合金的热处置工艺与组织调控机造

1.1 温度对组织演变的影响

锻件状态分歧，对铸造温度要求各别
。温度过高会导致晶粒粗化而降低资料机能;温度过低则因变形抗力增长而易使锻件产生裂纹
。因而，分歧状态迪胙合金锻件，其热处置工艺也有所差距
。王巧云等[35]选取800℃退火(空冷)工艺,成功造备出沉量约120kg的TC4钛合金大型锻件,其高温力学机能切合国度尺度
。该钻研同时指出钛合金的变形抗力随变形速度的增长而急剧升高，在动态下的塑性仅为静态下的二分之一
。因而，大型复杂件更适合选取等温铸造，在降低成形负荷的同时提高组织均匀性
。国内早期选取等温铸造工艺，将Φ160mm的TC4钛合金棒材在970℃下实现预锻和终锻
。首批锻件的热处置工艺为970℃×1h、空冷+539℃×8h、空冷;第二批锻件的热处置工艺为968℃×1h、空冷+539℃×8h、空冷
。锻件的热处置工艺如图3所示[36]
。了局显示热处置后显微组织更均匀，初生α相含量显著降低，且高温拉伸机能、悠久机能和蠕变机能均优于尺度要求[36]
。此表,Cheng等[37]对含凸耳、轴承孔、肋板和翼型的复杂钛合金机翼件进行了等温铸造仿照
。该锻件呈非对称结构，且各部门尺寸差距显著
。由于部门变形特点差距大且资料流动蹊径复杂，易产生充填不及、颈缩和折叠等缺点;仿照批注,较低压机速度可获得更好填充成效;当温度节造在900~950℃时,可获得较好的组织均匀性和综合力学机能
。综上所述，钛合金锻件的状态和尺寸差距决定了其对铸造和热处置温度的特定要求
。

温度通过节造片层α相的体积分数、厚杜纂初生α相的含量和尺寸，显著影响钛合金的强度、塑性与断裂韧性
。当铸造温度较低且热处置初次处置温杜纂等温铸造温度的差值增大时，时效过程中次生α相易产生粗化
。李凯等[20]针对TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)钛合金设计了两种热处置造度(表1),钻研了双沉退火对其组织和机能的影响,钻研批注，当高温退火温度低于等温铸造温度时，次生α相显著粗化，且粗化水平随温差增大而加剧
。其组织描摹如图4所示[20]
。进一步分析发现，β转变含量与强度呈正有关，而次生α相尺寸与合金强度呈负有关
。Chen等[38]基于TC6(Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si)钛合金体积划分成立了预造件3D模型,并选取Deform软件进行等温铸造的数值仿照及热处置工艺钻研
。其成形过程如图5所示[38]
。了局批注，叶片锻件经双沉退火后，当二次退火温度从550℃升高至620℃时，固然抗拉强度降低但伸长率有所提高
。在固定二次退火温度前提下，一次退火温度从830℃升高至850℃可提高抗拉强度，但会降低伸长率
。Li等[39]对TA15(Ti-45Al-10Nb)钛合金执行凹凸温组合热处置(HLT),其工艺参数为950℃×100min、水淬+800℃×8h、空冷
。水淬处置为等轴α相的形核和成长提供了驱动力，从而提高了其体积分数
。在HLT过程中，等轴α相产生荟萃、归并和球化,晶粒尺寸增大而纵横比减幼,批注晶粒趋于等轴化且散布更均匀
。HLT处置还调控了片状α相的体积分数和厚度，使其满足三态显微组织要求(含50%~60%片状α相)
。该热处置造度显著提高了TA15钛合金在室和善高温下的抗拉强杜纂屈服强度,同时维持优良的伸长率和断面收缩率
。

表1 等温铸造与双沉退火工艺参数及机能表征[20]

在高温前提下，资料阐发出较高的断裂韧性，可能有效抑造裂纹扩大
。Shi等[40]系统钻研模具温度(900~940℃)、铸造温度(900~990℃)及应变速度(5.5×10??s??和1×10??s??)对TC21钛合金组织和机能的影响，在630t液压机上对TC21钛合金执行60%压缩变形后，选取900℃×1h、空冷+590℃×4h、空冷的热处置工艺，钻研批注，当热处置温度高于β转变点时，形成粗壮的α板条和藐幼的次生α片层;低于β转变点时，则为等轴α相与片层α相混合的双态组织
。固溶的冷却速度决定α板条的尺寸,时效析出的次生α片层通过强化β基体,从而提升合金强杜纂硬度
。因而,均匀的双态组织寂仔等轴组织塑性高,又有网篮组织断裂韧性好的特点
。为验证双态组织对机能的提升成效，夏春林等[41]经过1016℃下固溶和700℃下时效后得到双态组织的整体叶盘
。叶盘的分歧地位的组织如图6所示[41]
。从图6能够看出，相迸宗棒材原料，整体叶盘锻件的初生α相进一步削减，条状的次生α相析出较多，次生α相可故障位错滑移和攀移，从而提高Ti60钛合金的强度和韧性
。

加热温度显著影响冷却后β转变组织的含量
。加热温度升高推进β相含量增长，从而提高冷却后β转变组织的比例
。Tian等[42]在应变速度1×10??s??,995℃的等温铸造前提下，施加75%变形量造备了TC4钛合金锻件(相变点约975℃)
。显微组织出现晶内长条状α相、短棒状/等轴状α相、晶界α相及束状/聚合状β转变组织
。热处置后的组织如图7所示[42]
。相比锻态组织,热处置显著提高了β相的体积分数
。其中，在热处置工艺为940℃×1h、水冷+550℃×5h、空冷下的增幅最大
。显微组织对比批注,810℃×1h、空冷处置下的丛飕状α相含量最高
。在940℃×1h、空冷+550℃×5h、空冷的工艺下可获得最高球化α相含量
。在热处置工艺为940℃×1h、水冷+550℃×5h、空冷处置时，片状α相的含量至少且其厚度最幼

；矸治雠，940℃加热使α相溶入β相，空冷时α相沉新析出，未转变β相形成β转变组织;水冷则通过急剧冷却抑造α相析出，推进β相马氏体转变或残留β组织形成
。加热温杜纂β相含量及冷却后β转变组织量呈正有关;一样温度下，冷却速度越快越抑造α相析出，β转变组织比例越高
。综上所述，加热温杜纂β相含量及β转变组织量呈正有关关系
。因而，选取940℃×1h、水冷+550℃×5h、空冷的热处置工艺可实现钛合金锻件强杜纂塑性的优良匹配
。

工业出产中，热处置温度显著影响钛合金的强度、韧性与塑性
。初次退火温度升高，有助于提升强度但会降低塑性;二次退火温度升高则导致强度降落而塑性改善
。孙兴等[43]基于航空叶片服役要求，系统钻研了TC6钛合金(相变点1005℃)双沉退火工艺参数与组织机能的关联性
。尝试选取相变点为1005℃的TC6钛合金棒材，经等温模铸造成叶片样品
。初次退火设置为830~880℃梯度温度(保温1h,空冷),二次退火设置为600℃×2h、空冷,以此构建工艺参数对比系统
。了局批注，二次退火温度不变时，初次退火温度越高，拉伸强度越大，但塑性略有降落
。维持初次退火参数恒定，将二次退火温度调整为550、600和620℃进行对比钻研
。测试批注，二次退火温度升高会导致强度降落而塑性提升
。此表，该钻研还对叶片锻件经850℃×1h、空冷+600℃×2h、空冷工艺处置的试样发展显微组织表征
。金相观察显示，榫头、叶身和叶尖部位的α相含量超过50%，描摹以藐幼短棒状和球状为主，散布均匀
。经力学机能测试，榫头、叶身、叶尖部位的抗拉强度别离达到1180、1183和1171MPa;冲击韧性别离为45.0、46.4和48.2J/cm?;有限委顿极限的循环加载次数均大于1×10?
。在400℃下，抗拉强度可达899MPa，悠久寿命均大于50h
。该热处置蹊径可显著提升叶片综合机能，具备优良工程利用价值
。张永强等[44]对比钻研了TC18钛合金从β相区起头进行热处置(890℃×0.5h→750℃×2h→570℃×4h、空冷)与双沉退火(830℃×2h→750℃×2h→570℃×4h、空冷)对其塑韧机能的影响
。了局批注，从β相区起头进行热处置虽提高强度，但由于粗壮β晶粒形成和裂纹沿α/β界面扩大，导致"β脆性"景象，显著降低塑性
。相比之下，双沉退火略微降低强度，却有效提升韧性与塑性
。其组织更均匀，变形过程中滑移散布宽泛，且网状结构抑造了位错部门荟萃，有利于延缓浮泛形成，改善断裂前的塑性
。

综上所述，热处置工艺需结合锻件描摹和铸造温度科学设计，这是实现组织均匀和机能不变的关键
。温度调控直接影响片层α相的体积分数和厚度、初生α相的尺寸与含量以及β转变组织的比例，从而决定资料的强度、塑性和韧性
。若次生α相尺寸过大,会导致合金强度降落;而在高温前提下急剧水淬则有利于等轴α相的形核与长大，显著提升其体积分数
。总体而言，高温退火有助于提高强度但降低塑性，低温退火则改善塑性但就义部门强度
。因而，获得高机能合金的关键在于维持足够比例的β转变组织,并节造次生α相藐幼且散布均匀
。为平衡强杜纂塑性，等温铸造后宜选取双沉退火工艺
。

1.2 保温功夫对组织均匀性与机能的影响

高温下，耽搁保温功夫有助于α相的描摹由片层状转变为等轴状
。这一转变可提高球化分数，从而加强资料强度
。相比之下，低温保温功夫的耽搁会促使次生α相增厚，进而降低抗蠕变机能
。总体而言，保温功夫的增长容易引发组织粗化
。Xu等[45]以Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)合金为对象，系统钻研了其静态球化行为
。热处置温度设置为820、840和860℃;保温功夫别离为10min、30min、1h、2h、4h和8h
。如图8所示[45],合金在β相变点以上进行热处置时，组织为齐全片层状的α相结构
。在820℃前提下,α相描摹出现变动,但无数α相仍维持高长宽比且α-β界面光滑，球化水平较低
。840和860℃下组织演变趋向类似
。保温功夫越长，片层α相的球化水平越高且厚度增长
。出格是820℃处置8h后，组织靠近齐全球化
。因而，耽搁保温功夫可加快α相从片层状向球状转变
。分歧温度对应的球化过程所需保温功夫存在差距，球化速度也与温度亲昵有关
。820℃时需较长功夫能力实现球化;而在840和860℃下，球化速度显著加快
。Zhao等[46]钻研了β型阻燃钛合金在540℃×100h热露出下的组织变动
。图9[46]为在540℃×100h热露出后3组热处置前提下合金的力学机能
。1号尝试样品前提为820℃×30min、水冷+600℃×5h、水冷;2号尝试样品前提为910℃×30min、水冷+560℃×5h、空冷;3号尝试样品前提为820℃×30min、水冷+600℃×5h、空冷;对比发现1号的综力学机能相较其他两组的更优异
。此表，钻研了局发现，晶内析出粗壮Ti?Si?和α相显著降低热不变性，甚至引发脆性断裂
。若Ti?Si?在晶界不陆续析出，蠕变机能改善;若析出陆续且粗壮，则抗蠕变能力显著降落
。此表，等温铸造的蠕变作用会诱发粗壮α相析出，同样减弱蠕变抗力
。Xie等[47]对等温铸造后的双相钛合金盘件进行了热处置，处置工艺为960℃保温1h后空冷，随后在500℃下别离保温100、200和500h后空冷
。钻研了局批注，随着热露出功夫的耽搁，片层α相(α?)的厚度逐步增长
。这一景象归因于α?在热处置过程中从β相中析出,并与其形成肯定的取向关系
。其透射电镜(TEM)图像如图10所示[47],在持久热露出前提下,α?产生了逐步的并聚与长大过程，同时陪伴着α?/β界面面积的削减，导致α?粗化景象的显著加强
。由此可见，在高温下耽搁保温功夫能够增长初生α相(α?)的体积分数，提高资料的强度;而第二次低温下时效的保温功夫的耽搁，则是导致析出次生α相的厚度增长，导致抗蠕变机能降低
。

1.3 热处置工艺对组织与机能的协同调控分析

1.3.1 分歧冷却方式对组织描摹与机能的影响

等温铸造后,钛合金的最终机能重要取决于冷却方式和热处置造度
。冷却速度作为调控伎俩,影响初生α相的含量、描摹与散布,也决定次生α相的结构、厚杜纂分列，从而扭转合金的强度、塑性与韧性
。李雪飞等[48]比力了两种热处置工艺对等温铸造后的TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)钛合金的组织和机能影响,一种工艺为直接水淬后进行时效处置,另一种为空冷后进行固溶+时效处置,显微组织如图11所示[48]
。了局批注，水淬显著提升了钛合金的断裂韧性，冷却速度差距导致组织演变的分歧
。水淬样品中等轴α相尺寸藐幼(图11a),空冷样品中等轴α相显著粗壮(图11b);水淬样品的β基体中险些无次生α相析出(图11a1),而空冷后则有显著的次生α相析出(图11b1)
。此表,水淬+时效的次生α相散布较为无序，但仍具与空冷+固溶时效相当的强杜纂塑性，同时韧性更优，工艺更简洁，效能更高
。因而，提高冷却速度可提升初生α相含量,细化被拉长的晶粒,有利于力学机能提升
。

冷却方式在等温铸造钛合金的组织调控中起着关键作用，决定了后续热处置的成效与力学机能
。苏化冰等[49]钻研了TC4钛合金在分歧冷却方式下的组织演变法规及其对冲击韧性的影响，如图12所示[49]
。具体热处置参数见表2,锻件几何尺寸及取样地位示定见图12(a)
。样品别离在938、948和958℃铸造后，选取空冷、风冷和水冷处置
。图12(b，c)显示，在938℃铸造后，冷却速度越快，初生α相均匀尺寸越幼
。水冷样品的初生α相最幼，且变形拉长特点越发显著，注明冷却速度显著影响α相描摹(图12b和12c)
。在热处置造度上，缓慢冷却(如炉冷)推进初生α相的粗化与次生α相的增厚,有利于提高冲击韧性
。图12(e)批注,800℃炉冷样品拥有最高的冲击韧性，晶粒尺寸最大、α相含量最高
。相反，固溶+时效处置虽提升强度，但初生α相削减，冲击机能降落
。图12(d)揭示了α相含量与冲击韧性呈正有关，注明组织调控是机能优化的主题思造
。Zhang等[50]通过多向等温铸造结合水淬，钻研了TC4钛合金的组织演化与机能变动，其了局如图13所示[50],经过水淬后的样品组织均匀、晶粒得到细化，且硬度、拉伸强度和伸长率相较于原料均得到提升
。此表，Yang等[27]在BT25钛合金上进行铸造尝试
。选取6300kN四柱液压机，在60%变形量和1×10??s??应变速度下铸造后空冷,可获得1217MPa的抗拉强度、14.2%的伸长率和57.2MPa·m?/?的断裂韧性
。杨合等[51]在多路次等温近β铸造过程中比力了风冷、炉冷和空冷3种冷却方式
。钻研了局批注，冷却速度对相组成影响不大，但对晶粒尺寸及次生α相的描摹有显著影响
。炉冷前提下，组织中形成了粗壮等轴晶粒和较厚的片层α相;而空冷则促使藐幼针状α相的天生
。

表2 TC4钛合金的热处置工艺

后续热处置工艺的选择将直接影响冷却过程中α相的析出行为
。经过炉冷处置的试样中，初生α相不仅数量达到峰值，并且出现出典型的粗壮等轴描摹，这种组织结构最有利于冲击韧性的提升
。针对高强杜爪用需要，建议选取水冷配相宜当的热处置工艺，通过晶粒细化实现资料强化
。对冲击韧性要求高的利用场景中，建议优先选取缓冷结应时效的热处置蹊径
。

1.3.2 主流热处置工艺的评述

综合前面的会商，等温铸造钛合金多选取"固溶处置+时效"的热处置工艺
。其中，高载荷部件(如航空发起机叶片、火箭接优等)是指接受动态/循环应力或极限载荷的关键构件，其服役前提要求资料兼具高强杜纂高韧性(如特定屈服强度-韧性匹配尺度)
。为实现这一指标，等温铸造过程中需通过热-力耦合作用诱发起态再结晶，并结合阶梯温度节造工艺，在有效解除残存应力的同时优化α/β相比例，提升综合力学机能
。张会等[52]对TC11钛合金叶片进行等温校对处置后，选取"950℃×1h、真空退火+530℃×6h时效"工艺
。了局批注，处置后α相称轴率达到82%，次生α相厚度节造在0.8μm以下，残存应力解除率超过90%，型面翘曲量不变在±0.15mm领域内
。王家宣等[53]对Ti-1023合金进行"760℃×2h、水淬+520℃×8h时效"处置
。β相基体中析出的0.5~1.2μm等轴α相使合金在维持1280MPa抗拉强度的同时获得8.5%的伸长率
。姚泽坤等[54]将Ti-17合金热处置参数优化为800℃×4h、风冷+620℃×8h时效，经该工艺处置后，合金室温抗拉强度达到1210MPa,400℃高温强度维持1032.5MPa,较通例工艺提高18%
。此表，艾云龙等[55]钻研批注选取"970℃×1h、水淬+560℃×2h时效"的热处置工艺后，Ti-6Al-7Nb合金的强度提升9.6%，硬度提高7.9%,但塑性降落44.8%;相比之下,选取750℃×1h、空冷处置可使强度降落0.9%、硬度降落10.4%，但断后伸长率提高6.3%
。钻研还批注，通过粉末冶金-铸造-热处置全流程协同节造，可实现β晶粒纳米化与α相弥散强化的协同效应
。赵张龙等[56]提出三次等温铸造结合热处置(800℃×4h、水淬+635℃×8h时效)的工艺使TC17粉末合金伸长率提高至16%，断面收缩率增幅达40%
。透射电镜观察证实，β晶粒从50μm细化至8μm,并析出均匀尺寸80nm的纳米α相，使屈服强度提升至1170MPa，较传统铸锻工艺提高15%
。

在优化冷却方式的基础上，共同退火工艺的精确调控，可实现对初生α相和次生α相的协同节造，进而提升资料强杜纂塑性的综合机能
。选取高温-低温双级退火工艺可精确调控两类α相的比例散布,可最终实现强杜纂塑性的协同优化
。多区域异质构件是指通过梯度热处置(如分区控温、部门时效等)使分歧区域出现差距化微观组织与力学机能的复合构件,合用于必要同时满足多沉服役前提的复杂部件(如航空发起机电扇叶盘、异种资料焊接结构等)
。王晓燕等[57]对TC18(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)钛合金的钻研批注，提高高温退火温度会显著削减初生α相含量,同时增长次生片状α相数量,导致合金强度上升但塑性降落
。选取"830℃×2h、炉冷+570℃×4h、空冷"双沉退火处置后TC18合金等温锻件的显微组织和综合力学机能较好
。在异种合金衔接的多区域异质构件中，涂唯坚等[58]钻研了电子束焊接Ti-22Al-25Nb/TC11异种合金的热处置工艺,该合金经1045℃等温铸造(应变速度10??s??,变形量40%)后空冷，别离对两侧执行梯度热处置
。Ti-22Al-25Nb合金侧的热处置工艺为960℃×1.5h、空冷+800℃×6h、空冷，TC11合金侧的热处置工艺为530℃×6h、空冷
。了局显示，焊缝抗拉强度达到1025MPa，机能阐发优异
。刘莹莹等[59]钻研批注电子束焊接、近等温铸造和梯度热处置后的Ti-24Al-15Nb-1.5Mo/TC11双合金盘，其焊缝高温强杜着于TC11合金，但室温拉伸机能存在显著颠簸
。选取梯度热处置(Ti?Al侧:1020℃×1h、空冷+815℃×1h、空冷;TC11合金侧950℃×1h、空冷+530℃×7h、空冷)后,50%变形双合金盘焊缝至TC11合金扰装响区的晶界α相仍未齐全解除
。透射电镜分析批注，焊缝区簇状α相的形成与近等温铸造和梯度热处置过程中Al、Nb元素从α?相的析出行为亲昵有关
。因而，空冷工艺在异种合金衔接区域的组织梯度调控中显示出怪异优势
。

热处置工艺当选取的退火工艺显著影响α相和β相的演变过程，进而决定钛合金的最终力学机能
。等温热处置选取较高保温温度共同阶段缓冷，推进β相充分分化，可有效提升钛合金的塑性和热不变性
。然而受限于合金中β不变元素含量较低，资料强度出现肯定水平的降落
。杨涛等[60]选取四组真空热处置规划，系统比力了传统等温退火与双沉退火对TC6钛合金电扇转子叶片组织和机能的影响
。传统等温退火(S1)选取880℃空冷处置，固然形成较多初生α相，但次生α相描摹不规定，导致强度偏低
。双沉退火组(S2、S3、S4)则选取第一阶段温度递减的两段热处置工艺,第一阶段别离为880(S2)、840(S3)和810℃(S4),第二阶段加热至高于第一阶段温度
。S2组的初生α相削减，次生α相呈交叉编织状，室温及高温强度提升约5%，但塑性和委顿机能降落
。降低第一阶段处置温度导致初生α相含量增长，次生α相片层细化，塑性和委顿机能相应改善
。钻研证实，初生α相含量与再结晶水平共同调控着强杜纂塑性的平衡关系
。固然细化次生α相有助于提高强度，但未齐全转变的带状初生α相限度了整体强度提升
。有关室和善高温拉伸机能测试了局见图14[60]
。通过精确调控α/β相比例和优化次生α相描摹,可显著提升TC6钛合金铸造叶片的综合机能，为其在压气机叶片领域的利用奠定理论基础
。

除通例退火与多蹊径热处置表，钻研人员还沉点关注通常退火的组织不变性以及氢化处置对钛合金微观组织的调控作用
。其中，承力结构件(如飞机框架、起落架支持部件等)通常指在静态或准静态载荷下服役的结构部件，其主题要求是持久组织不变性与高温抗蠕变机能，同时需两全优良的强度-塑性匹配
。钻研批注，选取通常退火(850℃×2h、空冷)的TC6钛合金飞机承力构件,在300℃/5000h服役前提下仍阐发出优异的组织不变性
。该合金的高温拉伸、悠久及蠕变机能达到与等温退火和双沉退火处置相当的水平
。300℃/5000h热露出后，通常退火TC6钛合金锻件的力学机能未产生显著劣化[61]
。该工艺已在F-22战斗机β相区热处置的TC4钛合金框梁结构件中得到成功利用
。氢化热处置的引入可通过氢诱导β相不变动显著降低热加工温度,共同后续真空退火可形成机能优异的双态组织
。Huang等[62]对TC4钛合金进行1023K×2h氢化预处置后执行等温铸造,成功造备出航空发起机叶片
。氢化处置具体流程为:真空环境下通入氩气成立惰性空气,升温至1023K保温2h并通入氢气，随后随炉冷却至室温
。铸造后,叶片经1023K真空退火4h并随炉冷却,最终形成不变双态组织
。有关显微组织与力学机能表征了局见图15[62]
。未经氢化处置的样品组织重要由短杆状α相组成,阐发出优良的强韧性匹配
。氢化处置后叶片形成细密的篮网组织,重要由等轴α相、针状α相及β相组成
。显微组织的显著细化在提高强度的同时维持了优良的韧性
。统计了局批注，氢化处置后β相体积分数从15%提升至28%
。经过1023K×4h的真空退火后，资料形成"等轴α相+针状α相+少量β相"的典型双态组织
。最终，其室温与高温拉伸强度均提升约11%,机能指标齐全满足航空发起机叶片的服役需要
。

基于上述对冷却方式和热处置工艺的分析，能够进一步综合分歧热处置工艺对铸造后钛合金组织和机能的调控作用机造
。固溶+时效处置通过热激活推进再结晶，使α相形成藐幼弥散的等轴组织，同时通过次生α相的均匀析出实现强韧化，合用于高强韧服役工况
。双沉退火和梯度退火通过多阶段温度调控，可精确调节初生α相与次生α相的比例和描摹，出格合用于优化复杂构件内部组织的均匀性

；豪+退火通过推进初生α相的粗化和片层α相的有序成长来显著提升冲击韧性，但会就义部门强度;而氢化处置则利用氢来不变β相;在确保组织细化的同时有效降低铸造温度，结合真空退火可获得由等轴α相、针状α相及β相组成的细晶双态组织,为高强轻量化构件提供了低能耗造备规划
。综上所述，高承载部件优选固溶时效/氢化处置,通例承力结构件合适缓冷退火，多区异质域构件则需梯度热处置结合空冷以协调部门组织差距
。

2、钛合金复杂构件的热处置挑战与先进工艺索求

2.1 当前热处置工艺面对的关键挑战

只管当枪合金在高温变形及成形工艺钻研领 域已获得显著进展[63] ,但仍面对多沉挑战亟待解决
。 出格是在复杂构件等温铸造成形后的热处置工艺设 计与组织预测方面存在较大挑战
。 通过有限元软件能够精确仿照温度场和应力场散布,为热处置工艺优化提供理论凭据[64] 
。 Mosleh 等[9]提出了一种集成步骤,该步骤蕴含资料个性分析、流动行为建模、有限元仿照和尝试验证等多个环节,成功实现了 TC4 钛合金的超塑性成形
。 钻研了局批注,改进的 Johnson-Cook 模型结合人为神经网络(ANN)可能正确描述资料流动行为,有效预测成形参数并优化工艺
。 成形后迪胙合金晶粒维持等轴状且组织均匀,验证了该集成模型在 TC4 钛合金超塑性成形中的合用性和优势
。此表,数值仿照步骤还能够揭示热处置过程中扰爪力演化和相变机造,为有关理论机造的成立提供支持
。分子动力学和相场仿照等步骤已逐步利用于显微组织演变钻研[65] 
。 例如,孙虹烨等[66] 选取分子动力学仿照 TC4 钛合金拉伸-剪切行为
。 钻研发现,选取固溶处置结应时效的热处置工艺能够提高 TC4 钛合金的拉伸和剪切强度,且最大拉伸强杜纂固溶温度呈正有关关系
。 该钻研为深刻理解 TC4 钛合金微观结构与力学机能之间的关系提供了新的视角
。 谢本昌等[65]基于 Ansys 软件成立 TC4 钛合金焊接-PWHT过程模型
。 了局批注,焊后热处置促使焊缝区域的马氏体向次生 β 相转变,残存应力降低 60%,实现了组织优化和应力节造的协同效应
。 为满足复杂构件组织调控的需要,当前钻研正致力于将等温铸造过程与冷却蹊径进行耦合仿照
。 Teixeira 等[67] 基于 JMAK模型,成功构建了航空发起机轴盘的空冷过程模型
。图 16 为冷却后轴盘分歧地位的显微组织散布及光学显微组织[67] 
。 预测了分歧区域的 α 相状态散布(图 16a)
。 仿照了局与金相观察吻合优良,A 点(表表附 近)观察到少量的晶界 α 相和较多的魏氏体 ( 图 16b);如图 16(c)所示,点 B 与点 C 类似的地位(轴 盘主题),观察到较多的晶界 α 相和魏氏体
。 然而, 现有模型尚未思考等温铸造引起的塑性变形效应,组 织演变预测仍存在局限
。 因而,未来的仿照钻研必要 进一步耦合热加工应变汗青和后续冷却蹊径,以提高组织预测的正确性
。 如图 17 所示,与传统热处置技术相比,未来通过结合新兴热处置技术(如微波加热、深冷处置、低温真空退火) 和智能化热处置设备(如多轴机械臂),有望构建面向机能指标的数字化工艺设计系统,推动钛合金热处置技术向高机能、高效能和智能化方向发展
。

2.2 新兴热处置技术的发展示状与潜力分析

2.2.1 微波辅助热处置的多场耦合机造与工程化利用

为突破传统热处置工艺在能效、组织均匀性和可控性方面的局限，未来钛合金等温铸造热处置钻研应沉点关注多能场耦合、智能工艺节造和绿色造作技术的协同利用
。多能场协同调控技术因其可精确节造资料组织与机能，正成为钛合金热处置领域的沉要发展方向[68]
。与传统加热方式相比,微波技术(MW)拥有热效能高、能耗低、升温速度快及显著细化组织蹬着势
。具体而言，该烧结技术优于通例烧结，可有效推进致密化、细化晶粒并改善综合力学机能[69-71]
。除烧结表，MW技术还被用于金属间化合物的合成[72],以及在诱导等离子体的援手下对钛粉末或块体钛进行渗氮[73]
。Luo等[74]开发的微波加热工艺实现了对钛粉的高效均匀加热，造备的CP-Ti、TC4及Ti-10V-2Fe-3Al等合金拥有95%以上的理论密度
。所得资料的拉伸机能优于通例烧结制品，且对原始粉末粒径和压造压力阐发出显著敏感性
。微波技术已渗入冶金全流程,涵盖矿石预处置、干燥、湿法冶金等关键环节[75]
。图18为微波加工系统的根基构型与能场耦合机造，明确其在钛及金属资料处置中的优势[75]
。此表，邵健[76]通过在TC4钛合金棒材的表表涂覆微波吸收剂,节造Al?O?与SiC的质量之比为3:2,成功实现了棒材的急剧热处置
。钻研了局显示，微波热处置可显著细化晶粒，使资料强度较通例热处置显著提高
。因而，选取微波混合加热技术时，需优化吸收剂(如SiC、木炭和石墨粉)选择，调控微波功率、处置功夫和频率等参数，并设计高效谐振腔，以实现急剧、节能、环保的高质量处置[77]
。综上所述，微波技术在等温铸造钛合金热处置领域拥有辽阔的利用远景
。

2.2.2 深冷处置技术在等温铸造钛合金显微组织调控中的强化作用

除微波辅助处置表，深冷处置(DCT)作为一种新型热处置技术,在钛合金等温锻后组织机能调控方面同样拥有显著优势
。DCT处置是一种以液氮为介质的低温热处置技术，重要通过引发晶格收缩与残存应力场构建，实现显微组织优化与机能提升
。Kang等[78]对TC4合金屡次深冷处置后发现，其抗拉强度、硬度及耐磨性均显著提升，强化机造重要归因于低角度晶界与亚晶界协同作用下的微观细化效应
。DCT引发的内应力推进短棒状α相破碎并转变为细颗粒状,有效提升晶粒细化水平
。Gu等[79]进一步钻研批注,DCT与时效处置联用可驱动亚稳β相向不变相转变,削减β相体积分数,并诱导位错网络与孪晶天生,使TC4合金塑性提高22.7%,且强度降落不超过5.5%,实现机能平衡优化
。Vijayakumar等[80]钻研了分歧低温处置功夫对TC4样品韧性的影响,了局显示,处置24和36h的TC4样品韧性别离提高5.3%和8.3%
。Liu等[81]针对近β钛合金(Ti55531)发展钻研,其工艺流程、显微组织变动和力学机能如图19所示
。深冷处置可使均匀晶粒尺寸由2.35μm减幼至1.68μm,同时α相体积分数由18.62%提升至21.37%
。板条状α相在深冷作用下描摹转变为平行分列，宽度减幼
。EBSD分析显示织构强度降低、位错密度升高、组织均匀性加强(图19d~19j)
。该工艺处置后的资料硬度最大提升12.9%至385.5HV3(图19k);同时，拉伸强杜纂伸长率别离提高6.8%与8.0%(图19l),这充分证了然DCT对近β钛合金的强韧化成效
。此表，DCT还能有效细化晶粒、诱发高密度位错与孪晶形成，加强资料委顿机能
。Sun等[82]在77K环境下进行委顿尝试，观察到大量分歧状态的孪晶形成，有效提升退火态钛合金的委顿强度
。综上所述，深冷-时效复合处置为提升TC4合金塑性提供了高效的热处置规划
。因而，DCT与等温铸造的协同利用，有望进一步拓展钛合金的机能天堑和利用领域
。

2.2.3 低温真空热处置技术的工艺优势

低温真空热处置可显著降低金属热变形风险,尤其合用于复杂结构件[83]
。当温度超过800℃时,钛合金表表氧化膜会产生分化,氧原子向晶格内部扩散可能引发断裂，因而必须严格节造热处置环境中的氧含量[84]
。因而，目枪合金出产多选取氩气
；た掌腥却χ肹85]
。通过低温热处置调控钛合金相变过程，可获得藐幼均匀的α相组织，从而改善资料在单和谐循环载荷下的力学机能[86]
。Wang等[83]钻研显示,无氧化热处置可使TC4钛合金强度提高的同时伸长率增长26%,其拉伸机能达到800℃高温退火处置的水平
。该工艺能推进β相析出，产生第二相强化作用
。当热处置工艺为550℃×4h时,TC4钛合金的综合机能较好，极限拉伸强度、屈服强度和伸长率别离为1220MPa、917MPa和11.6%
。因而发展自动化的可控空气热处置技术，有助于提高工艺不变性并维持资料机能
。

3、总结与瞻望

随着航空航天高速发展，对钛合金等温锻件机能提出越来越高的要求，热处置技术在其组织调控及机能改善中阐扬了沉要作用，国内表已有成就批注:

初次高温退火共同水淬能够提升钛合金的强度;二次低温时效退火选取空冷可改善钛合金的塑性;初次高温退火+水淬，第二次低温退火+空冷工艺可有效平衡强杜纂塑性;

在高温下耽搁保温功夫能够增长初生α的体积分数,提高资料的强度;而第二次低温时效保温功夫的耽搁，导致抗蠕变机能降低;

随冷却速度提升，显著提升钛合金的强度，但冲击韧性则有所降落;而缓冷能显著优化冲击韧性;

固溶结应时效工艺通过α相弥散散布与等轴化实现强韧协同,合用于高强高韧需要;双沉退火与梯度退火通过阶梯式温度调控初生/次生α相比例，优化复杂构件组织均匀性;缓冷退火提升冲击韧性但需衡量强度损失;氢化处置结合真空退火提供低能耗解决规划;高载荷部件优先选取固溶结应时效或氢化处置，承力结构件选择缓冷退火，多区域异质构件则需梯度热处置结合空冷以协调部门组织差距
。

瞻望未来，建议钛合金等温锻件的热处置钻研进一步聚焦于数值仿照与现实工艺的调控机造,并深刻索求微波场、深冷技术及低温真空等新型热处置技术的利用潜力，进一步加强热处置对钛合金等温锻件组织与机能的改善
。

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（注，原文标题：热处置工艺对钛合金等温锻件组织演变及机能影响的钻研进展_黄巍
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