鈦合金憑借比強(qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)異、高溫性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，已成為航空航天、艦船、核電等高端裝備領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。其中，鈦合金棒材作為承力構(gòu)件的基礎(chǔ)形態(tài)，其性能直接決定了終端產(chǎn)品的可靠性與服役壽命。近年來(lái)，隨著新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器對(duì)材料性能要求的提升，鈦合金棒材的制備工藝優(yōu)化、性能調(diào)控及標(biāo)準(zhǔn)化工作成為研究熱點(diǎn)。

我國(guó)鈦合金棒材產(chǎn)業(yè)已形成從熔煉、鍛造到表面處理的完整產(chǎn)業(yè)鏈，寶鈦集團(tuán)、寶雞鈦業(yè)等企業(yè)在TC4、TA15等主流牌號(hào)上實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。然而，高端產(chǎn)品如高溫鈦合金棒材仍面臨工藝穩(wěn)定性不足、性能波動(dòng)大等問題，部分關(guān)鍵指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距。激光沖擊強(qiáng)化、精密鍛造等先進(jìn)工藝的應(yīng)用為性能提升提供了新途徑，而GB/T38917-2020等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施則為產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

寶雞凱澤金屬系統(tǒng)整合鈦合金棒材的制備工藝、性能表征及標(biāo)準(zhǔn)要求，重點(diǎn)分析鍛造工藝與激光沖擊強(qiáng)化對(duì)組織性能的影響，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)探討質(zhì)量控制要點(diǎn)，為高性能鈦合金棒材的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

一、鈦合金棒材的制備工藝及組織調(diào)控

（一）鍛造工藝：組織細(xì)化與性能優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)

鍛造是鈦合金棒材成形與組織調(diào)控的關(guān)鍵工序，通過(guò)控制變形溫度、變形量及冷卻速率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶粒尺寸、相組成的精準(zhǔn)調(diào)控。針對(duì)BTi62鈦合金（Ti-Al-Mo系近α型合金）的研究表明，不同鍛造工藝對(duì)組織與性能的影響顯著：

β鍛造工藝（工藝1）采用“相變點(diǎn)以上開坯+相變點(diǎn)以下精鍛”的兩步法：鑄錠經(jīng)1200℃開坯后，在β相變點(diǎn)（1000~1020℃）以上30~50℃進(jìn)行多火次中間鍛造，獲得φ80mm中間坯；最終在相變點(diǎn)以下30~50℃完成成品鍛造（變形量88%），得到φ27.5mm棒材。該工藝下，粗大的魏氏組織被徹底破碎，形成β基體上均勻分布的片狀α與少量等軸α組織（圖1a），室溫屈服強(qiáng)度達(dá)920MPa，延伸率17%，高溫（400℃）抗拉強(qiáng)度610MPa，斷面收縮率65%。

α+β兩相區(qū)鍛造工藝（工藝2）全程在相變點(diǎn)以下30~50℃進(jìn)行，中間坯與成品鍛造均未超過(guò)β相變點(diǎn)，組織以等軸α相為主。其室溫抗拉強(qiáng)度略高于工藝1（965MPavs940MPa），但延伸率較低（15%vs17%），且高溫強(qiáng)度稍遜（590MPavs610MPa）。

工藝對(duì)比顯示，β鍛造工藝因變形溫度高、抗力小，鍛造火次減少30%，生產(chǎn)效率顯著提升，更適合規(guī)模化生產(chǎn)。此外，該工藝所得棒材的強(qiáng)塑性匹配更優(yōu)，尤其高溫性能優(yōu)勢(shì)明顯，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高溫承力構(gòu)件的需求。

（二）激光沖擊強(qiáng)化：表面改性與疲勞性能調(diào)控

激光沖擊強(qiáng)化（LSP）作為一種新型表面改性技術(shù)，通過(guò)高功率密度（GW/cm2級(jí)）、短脈沖（ns級(jí)）激光誘導(dǎo)的沖擊波在材料表層引入殘余壓應(yīng)力，可顯著提升疲勞壽命與抗腐蝕性能。對(duì)TC4-DT鈦合金棒件的研究表明，LSP工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布及疲勞性能影響顯著：

殘余應(yīng)力場(chǎng)分布有限元模擬（ABAQUS）顯示，激光沖擊后棒件表面形成深度0.15~1.15mm的殘余壓應(yīng)力層，峰值壓力從3GPa增至8GPa時(shí)，表面壓應(yīng)力從44MPa升至678MPa，壓應(yīng)力層深度從0.15mm增至1.15mm。同時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大值從31MPa增至142MPa，且拉應(yīng)力區(qū)域面積約為壓應(yīng)力層的5~8倍。

疲勞性能變化拉-拉疲勞試驗(yàn)（應(yīng)力比R=0.1，頻率40Hz）表明，未沖擊試樣壽命約68萬(wàn)次，而經(jīng)8.7GW/cm2、24GW/cm2、61.5GW/cm2沖擊后，壽命分別降至18.8萬(wàn)次、20萬(wàn)次、3.9萬(wàn)次，呈現(xiàn)“負(fù)增益”現(xiàn)象。斷口分析顯示，沖擊后疲勞裂紋源從表面轉(zhuǎn)移至內(nèi)部最大拉應(yīng)力區(qū)，且隨沖擊功率升高，裂紋源深度從2.04mm增至4.11mm。

這一現(xiàn)象源于內(nèi)部拉應(yīng)力與外加載荷的疊加效應(yīng)，加速了裂紋擴(kuò)展。因此，LSP對(duì)鈦合金棒材的適用性需結(jié)合服役工況：對(duì)承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件（表面受拉），LSP可發(fā)揮壓應(yīng)力的保護(hù)作用；而對(duì)軸向拉伸為主的構(gòu)件，需謹(jǐn)慎使用或優(yōu)化工藝參數(shù)。

二、鈦合金棒材的性能表征與服役行為

（一）力學(xué)性能的多維度評(píng)價(jià)

鈦合金棒材的力學(xué)性能需從室溫、高溫及持久性能多維度評(píng)估，不同牌號(hào)與工藝的差異顯著：

室溫性能按GB/T38917-2020，TC4棒材（直徑12~150mm）要求抗拉強(qiáng)度≥895MPa，屈服強(qiáng)度≥825MPa，延伸率≥9%。實(shí)際測(cè)試中，β鍛造的BTi62棒材抗拉強(qiáng)度940~955MPa，屈服強(qiáng)度920~925MPa，延伸率17%~19%，優(yōu)于TC4標(biāo)準(zhǔn)，且斷面收縮率達(dá)51%，顯示優(yōu)異的塑性儲(chǔ)備。

高溫性能400℃時(shí)，BTi62工藝1的抗拉強(qiáng)度600~610MPa，屈服強(qiáng)度510MPa，遠(yuǎn)高于TC4的標(biāo)準(zhǔn)要求（≥600MPa）。TA15合金在500℃時(shí)抗拉強(qiáng)度≥570MPa，持久性能（470MPa載荷下）≥50h，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等部件的高溫服役需求。

疲勞性能TC4-DT棒材的疲勞極限（10?次）約為600MPa，經(jīng)優(yōu)化的β鍛造工藝可提升10%~15%。但需注意，激光沖擊等表面處理可能導(dǎo)致疲勞性能波動(dòng)，需通過(guò)工藝參數(shù)匹配實(shí)現(xiàn)性能增益。

（二）微觀組織與性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制

組織特征是決定鈦合金性能的核心因素，主要表現(xiàn)為：

晶粒尺寸與形態(tài)β鍛造工藝通過(guò)高溫變形與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使BTi62的α相晶粒細(xì)化至5~10μm，且分布均勻，相比兩相區(qū)鍛造的15~20μm晶粒，強(qiáng)度提升5%~8%，塑性提高15%~20%。

相組成與分布TC4合金中的α相（HCP結(jié)構(gòu)）與β相（BCC結(jié)構(gòu)）比例約為7:3，經(jīng)800℃退火后，α相呈等軸狀，β相沿晶界連續(xù)分布，保證了良好的強(qiáng)塑性平衡。而BTi62因Mo元素的β穩(wěn)定作用，β相比例提高至40%，高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。

殘余應(yīng)力的影響激光沖擊引入的表面壓應(yīng)力可抑制裂紋萌生，但內(nèi)部拉應(yīng)力可能成為裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)TC4-DT的研究表明，當(dāng)表面壓應(yīng)力≥400MPa且內(nèi)部拉應(yīng)力≤100MPa時(shí)，可實(shí)現(xiàn)疲勞壽命正增益（提升20%~30%）。

三、航空航天用鈦合金棒材的標(biāo)準(zhǔn)化要求

GB/T38917-2020《航空航天用高溫鈦合金棒材》為鈦合金棒材的生產(chǎn)與檢驗(yàn)提供了規(guī)范，核心要求包括：

（一）材料與熔煉

鑄錠要求至少經(jīng)兩次熔煉，最后一次必須采用真空自耗電弧爐，首次可采用電子束冷床爐或等離子束冷床爐。自耗電極禁止使用鎢極氬弧焊焊接，避免鎢污染。

化學(xué)成分需符合GB/T3620.1，允許偏差按GB/T3620.2，如TC4中Al含量5.5%~6.8%，V含量3.5%~4.5%，F(xiàn)e≤0.30%。

（二）力學(xué)性能指標(biāo)

室溫性能不同牌號(hào)差異顯著：

TA7（直徑12~100mm）：抗拉強(qiáng)度≥785MPa，屈服強(qiáng)度≥700MPa，延伸率≥10%

TC17：抗拉強(qiáng)度≥1120MPa，屈服強(qiáng)度≥1030MPa，延伸率≥7%

高溫性能TC11在500℃時(shí)抗拉強(qiáng)度≥685MPa，持久性能（640MPa載荷）≥35h；TA33在600℃時(shí)抗拉強(qiáng)度≥600MPa，持久性能（310MPa載荷）≥100h。

（三）質(zhì)量控制與檢驗(yàn)

超聲檢測(cè)直徑12~60mm棒材按A1級(jí)驗(yàn)收，60~150mm按A級(jí)，>150mm按B級(jí)（GB/T5193）。

組織要求低倍組織不允許有裂紋、縮尾、夾雜；高倍組織無(wú)完整原始β晶界，TA7應(yīng)為等軸α或混合組織，其他牌號(hào)為兩相區(qū)加工組織。

尺寸偏差直徑12~100mm允許±1.0mm，100~150mm±2.0mm，>250mm±4.0mm，平直度≤5mm/m。

四、工藝-性能-標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同優(yōu)化路徑

（一）工藝參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控

鍛造工藝優(yōu)化

對(duì)近α型合金（如BTi62、TA15），優(yōu)先采用β鍛造工藝，控制開坯溫度在相變點(diǎn)以上50℃，精鍛溫度在相變點(diǎn)以下30℃，變形量≥80%，以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化與相分布均勻。

對(duì)α+β型合金（如TC4、TC11），可采用“β開坯+α+β精鍛”復(fù)合工藝，兼顧強(qiáng)度與塑性。

激光沖擊工藝適配

針對(duì)承受彎曲載荷的棒材（如傳動(dòng)軸），采用中等功率密度（5~10GW/cm2）沖擊，形成0.5~0.8mm壓應(yīng)力層，避免內(nèi)部拉應(yīng)力過(guò)高。

沖擊路徑采用50%搭接率，減少應(yīng)力突變，降低裂紋萌生風(fēng)險(xiǎn)。

（二）性能波動(dòng)的控制策略

成分均勻性控制采用三次真空自耗熔煉，使合金元素偏析度≤5%，氣體雜質(zhì)（O、N、H）總量≤0.15%。

組織一致性保障通過(guò)等溫鍛造（保持溫度波動(dòng)≤±10℃）與在線顯微組織監(jiān)測(cè)，確保批量化生產(chǎn)中晶粒尺寸偏差≤20%。

殘余應(yīng)力調(diào)控激光沖擊后增加去應(yīng)力退火（500℃×1h），可使內(nèi)部拉應(yīng)力降低30%~40%，緩解疲勞性能惡化。

（三）標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)協(xié)同

標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)更新結(jié)合新型合金（如TC25、TA33）的研發(fā)進(jìn)展，補(bǔ)充高溫持久、疲勞性能等指標(biāo)，完善檢驗(yàn)方法。

產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)動(dòng)建立“企業(yè)-研究院-用戶”聯(lián)合驗(yàn)證平臺(tái)，如寶鈦集團(tuán)與中國(guó)航發(fā)黎明合作開展TC11棒材的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，加速成果轉(zhuǎn)化。

工藝數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)整合不同牌號(hào)、規(guī)格棒材的工藝-性能數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化模型，為智能化生產(chǎn)提供支撐。

全文總結(jié)

鈦合金棒材的制備工藝、性能調(diào)控與標(biāo)準(zhǔn)化是推動(dòng)其在高端裝備領(lǐng)域應(yīng)用的三大支柱。鍛造工藝通過(guò)β相變點(diǎn)上下的溫度控制，實(shí)現(xiàn)了組織細(xì)化與性能優(yōu)化，其中β鍛造工藝在效率與高溫性能上優(yōu)勢(shì)顯著；激光沖擊強(qiáng)化作為表面改性技術(shù)，其應(yīng)用需結(jié)合服役載荷類型，避免內(nèi)部拉應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞性能退化；GB/T38917-2020等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為質(zhì)量控制提供了統(tǒng)一規(guī)范，但其指標(biāo)體系仍需隨新材料研發(fā)動(dòng)態(tài)完善。

未來(lái)發(fā)展應(yīng)聚焦三方面：一是開發(fā)精準(zhǔn)控溫的智能化鍛造裝備，提升工藝穩(wěn)定性；二是研究殘余應(yīng)力的多場(chǎng)耦合調(diào)控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)激光沖擊的性能正增益；三是構(gòu)建“材料-工藝-性能-標(biāo)準(zhǔn)”一體化體系，推動(dòng)鈦合金棒材向更高強(qiáng)度、更長(zhǎng)壽命、更寬溫度范圍發(fā)展。通過(guò)工藝創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)同，我國(guó)鈦合金棒材產(chǎn)業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)從“跟跑”到“領(lǐng)跑”的跨越，為航空航天等戰(zhàn)略領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)的材料支撐。

相關(guān)鏈接