鈦合金及鎳鈦形狀記憶合金憑借其獨(dú)特的力學(xué)性能與功能特性,在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、高端裝備制造等領(lǐng)域占據(jù)不可替代的地位。TC4鈦合金作為典型的 α+β 型鈦合金,以高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和生物相容性,廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件、醫(yī)療器械支架等;鎳鈦合金則因超彈性和形狀記憶效應(yīng),成為介入醫(yī)療領(lǐng)域血管支架、正畸絲的核心材料。兩種材料的性能均高度依賴加工工藝與熱處理制度,如何通過工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)組織與性能的精準(zhǔn)調(diào)控,是當(dāng)前研究的核心課題。

近年來,拉拔、焊接、增材制造等加工技術(shù)的進(jìn)步為鈦合金絲材的性能提升提供了新途徑。拉拔工藝通過多道次塑性變形細(xì)化晶粒、調(diào)控織構(gòu),顯著提高材料強(qiáng)度;熱處理則通過改變相變溫度與析出相分布,平衡強(qiáng)度與塑性;焊接與增材制造技術(shù)雖拓展了材料的應(yīng)用范圍,但也帶來了接頭脆性、各向異性等問題。系統(tǒng)梳理這些工藝對(duì)材料組織演化與性能的影響規(guī)律,對(duì)推動(dòng)高端絲材的工程化應(yīng)用具有重要意義。
本文基于5篇相關(guān)研究論文,整合了鎳鈦合金絲材的熱處理效應(yīng)、TC4鈦合金絲材的拉拔工藝優(yōu)化、焊接失效機(jī)制、退火溫度對(duì)力學(xué)性能的影響,以及 TC11鈦合金增材制造技術(shù)的最新成果。通過分析工藝參數(shù)與性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律,總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)與應(yīng)用邊界,為鈦合金及鎳鈦合金絲材的研發(fā)與生產(chǎn)提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。
1、材料特性與加工工藝基礎(chǔ)
1.1 鎳鈦形狀記憶合金的材料特性
鎳鈦合金(Ni-Ti)作為典型的形狀記憶合金,其獨(dú)特的超彈性與形狀記憶效應(yīng)源于馬氏體 - 奧氏體相變的可逆性。研究表明,等原子比附近的鎳鈦合金(如 Ti-50.8Ni)在室溫下可呈現(xiàn)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變:當(dāng)施加外力時(shí),奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相,卸載后馬氏體逆變?yōu)閵W氏體,應(yīng)變完全恢復(fù),形成超彈性 [1]。這種特性使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(如血管支架、正畸絲)中不可或缺 —— 支架通過超彈性實(shí)現(xiàn)血管內(nèi)的自主擴(kuò)張,正畸絲則利用形狀記憶效應(yīng)維持持續(xù)矯正力。
鎳鈦合金的相變溫度(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度 M?、奧氏體逆轉(zhuǎn)變溫度 A?)是其功能特性的核心參數(shù),受化學(xué)成分與熱處理工藝共同調(diào)控。例如,富鎳合金中析出的 Ti?Ni?相可提高相變溫度,而高溫退火則會(huì)降低相變溫度 [1]。此外,鎳鈦合金的顯微組織由母相(B2 結(jié)構(gòu)奧氏體)、馬氏體相(B19' 結(jié)構(gòu))及 R 相(三斜結(jié)構(gòu))組成,三者的比例直接影響超彈性表現(xiàn) ——R 相的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力平臺(tái)變寬,降低超彈性恢復(fù)率 [1]。
1.2 TC4鈦合金的組織與性能基礎(chǔ)
TC4鈦合金(Ti-6Al-4V)的力學(xué)性能取決于 α 相(密排六方結(jié)構(gòu))與 β 相(體心立方結(jié)構(gòu))的比例與分布。退火態(tài) TC4 通常呈現(xiàn)雙態(tài)組織:等軸 α 相(約 60%)均勻分布于 β 轉(zhuǎn)變基體中,這種組織兼具高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度 900-1100MPa)與良好塑性(伸長(zhǎng)率 10%-15%)[4]。通過冷拉拔等塑性變形工藝,可使晶粒沿變形方向伸長(zhǎng)形成纖維組織,強(qiáng)度進(jìn)一步提升,但塑性下降 [2]。
TC4鈦合金的相變特性是工藝調(diào)控的關(guān)鍵:β 相變點(diǎn)約為 995℃,當(dāng)加熱溫度高于相變點(diǎn)時(shí),α 相完全轉(zhuǎn)變?yōu)?β 相;冷卻速度不同,β 相可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體 α' 相(快冷)或魏氏組織(慢冷)[3]。焊接過程中的快速熱循環(huán)易導(dǎo)致焊縫區(qū)形成脆性 α' 馬氏體,使接頭沖擊韌性下降,這也是 TC4 焊接構(gòu)件失效的主要原因 [3]。
1.3 加工工藝對(duì)材料性能的調(diào)控途徑
鈦合金及鎳鈦合金的性能調(diào)控主要通過以下工藝實(shí)現(xiàn):
熱處理:通過控制加熱溫度、保溫時(shí)間與冷卻速度,改變相變溫度、析出相形態(tài)及晶粒尺寸。例如,鎳鈦合金的低溫短時(shí)退火可保留細(xì)小組織,獲得優(yōu)異超彈性 [1];TC4 的雙重退火(α+β 區(qū)加熱 + 時(shí)效)可平衡強(qiáng)度與塑性 [4]。
拉拔工藝:多道次冷拉拔通過累積塑性變形引入位錯(cuò)纏結(jié)與織構(gòu),細(xì)化晶粒并提高強(qiáng)度。TC4 絲材經(jīng) 9 道次拉拔(累積變形量 64%)后,維氏硬度從 304 提升至 357,抗拉強(qiáng)度提高 20% 以上 [2]。

焊接與增材制造:通過高能束(鎢極氬弧、電子束)實(shí)現(xiàn)材料連接或成形,但需控制熱輸入以避免脆性相生成。電子束熔絲增材制造的 TC11鈦合金經(jīng)熱處理后,抗拉強(qiáng)度可達(dá) 1140MPa,且各向異性顯著降低 [5]。
2、熱處理對(duì)鎳鈦合金與 TC4鈦合金絲材性能的影響
2.1 退火工藝對(duì)鎳鈦合金超彈性的調(diào)控規(guī)律
鎳鈦合金的超彈性對(duì)退火參數(shù)極為敏感。實(shí)驗(yàn)表明,在 400-600℃范圍內(nèi),隨退火溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng),超彈性顯著下降:400℃×5min 退火時(shí),合金的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變臨界應(yīng)力 σ?約為 800MPa,殘余應(yīng)變僅 0.5%;而 600℃×30min 退火后,σ?降至 600MPa,殘余應(yīng)變?cè)鲋?4%[1]。這一現(xiàn)象與以下機(jī)制相關(guān):
位錯(cuò)與缺陷演化:低溫短時(shí)退火可保留適量位錯(cuò)與細(xì)小晶粒,抑制馬氏體再取向,維持高彈性恢復(fù)能力;高溫長(zhǎng)時(shí)間退火則使位錯(cuò)湮滅、晶粒粗化,塑性變形主導(dǎo)變形過程,超彈性喪失 [1]。
析出相影響:富鎳合金在 500℃以上退火時(shí),析出 Ti?Ni?相,導(dǎo)致基體貧鎳,相變溫度升高。當(dāng)保溫時(shí)間超過 15min,析出相粗化,共格性減弱,對(duì)基體的強(qiáng)化作用下降,σ?降低 [1]。
差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)試顯示,退火溫度升高使馬氏體 - 奧氏體逆相變終了溫度 A?降低(400℃退火時(shí) A?為 60℃,600℃時(shí)降至 30℃),而保溫時(shí)間延長(zhǎng)則使 A?升高(5min 時(shí) A?為 45℃,30min 時(shí)升至 55℃)[1]。這一規(guī)律為鎳鈦合金的溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了依據(jù) —— 例如,血管支架需在體溫(37℃)下保持超彈性,需將 A?調(diào)控至 35℃以下,可選擇 500℃×10min 退火工藝 [1]。
2.2 退火溫度對(duì) TC4鈦合金力學(xué)性能的影響
TC4鈦合金的退火工藝需兼顧強(qiáng)度與塑性的平衡。研究表明,冷拔態(tài) TC4 經(jīng)不同溫度退火(300-600℃,保溫 1.5h)后,力學(xué)性能呈現(xiàn)以下規(guī)律 [4]:
強(qiáng)度變化:400℃退火時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值(1085.6MPa),較冷拔態(tài)(1060.1MPa)提高 2.4%;600℃退火后強(qiáng)度降至 1022.7MPa,原因是高溫下位錯(cuò)回復(fù)與晶粒粗化 [4]。
塑性演變:伸長(zhǎng)率隨退火溫度升高呈先降后升趨勢(shì),600℃時(shí)達(dá)到最大值 11.3%,較冷拔態(tài)(9.5%)提高 19%。這與 α 相的球化及 β 相的均勻分布有關(guān) —— 高溫退火促進(jìn)魏氏組織向等軸組織轉(zhuǎn)變,改善變形協(xié)調(diào)性 [4]。
加工硬化行為:冷拔態(tài)的加工硬化率呈連續(xù)下降趨勢(shì),而 500℃以上退火后轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階式下降,表明材料的塑性變形從位錯(cuò)塞積主導(dǎo)轉(zhuǎn)為晶界滑移與相變協(xié)同作用 [4]。
斷口分析顯示,所有退火態(tài) TC4 均為韌性斷裂,但韌窩尺寸與分布存在差異:400℃退火后韌窩細(xì)小且淺(直徑約 5μm),600℃時(shí)韌窩深且均勻(直徑 10-15μm),印證了塑性隨溫度升高而改善的規(guī)律 [4]。
2.3 熱處理工藝的工程化應(yīng)用邊界
熱處理參數(shù)的選擇需根據(jù)材料的應(yīng)用場(chǎng)景確定:
鎳鈦合金醫(yī)療器件:血管支架要求超彈性恢復(fù)率 > 95%,需采用 400-450℃×5-10min 退火,避免高溫導(dǎo)致的性能劣化 [1];正畸絲需兼顧強(qiáng)度與可塑性,可選擇 500℃×15min 工藝,使 σ?控制在 700-750MPa [1]。
TC4 結(jié)構(gòu)件:航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片需高強(qiáng)度與抗蠕變性能,宜采用 600℃×2h 退火,獲得雙態(tài)組織(等軸 α 相 +β 轉(zhuǎn)變基體);醫(yī)療器械(如骨釘)需高塑性,應(yīng)選擇 600℃×3h 退火,伸長(zhǎng)率可達(dá) 11% 以上 [4]。
3、TC4鈦合金絲材的拉拔工藝優(yōu)化與組織演化
3.1 拉拔設(shè)備設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化
TC4鈦合金絲材的拉拔需通過設(shè)備與工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控形控性。研究表明,拉拔設(shè)備的核心組件包括 [2]:
模具系統(tǒng):工作錐角、定徑帶長(zhǎng)度對(duì)拉拔力與絲材質(zhì)量影響顯著。有限元模擬顯示,工作錐角 7° 時(shí)拉拔力最小(240N),較 5°(270N)和 11°(280N)降低 10%-15%;定徑帶長(zhǎng)度 3mm 可保證尺寸精度,過長(zhǎng)(4mm)會(huì)增加摩擦熱,過短(2mm)則導(dǎo)致絲材直徑波動(dòng) [2]。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):采用 YE2-90L2-4 三相異步電機(jī)(功率 1.5kW),通過變頻器控制拉拔速度 30mm/s,避免速度過高(>50mm/s)導(dǎo)致的局部過熱與應(yīng)力集中 [2]。
潤(rùn)滑與冷卻:使用聚晶金剛石模具與專用潤(rùn)滑劑,摩擦系數(shù)控制在 0.1-0.15,減少模具磨損與絲材表面劃傷 [2]。

多道次拉拔工藝中,單道次變形量需階梯式降低:從初始直徑 1mm 拉拔至 0.6mm 時(shí),前 5 道次變形量 10%-12%,后 4 道次降至 8%-9%,累積變形量 64%,可避免絲材斷裂 [2]。
3.2 拉拔過程中的組織與性能演變
拉拔變形通過晶粒細(xì)化與織構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn) TC4 性能強(qiáng)化,具體規(guī)律如下 [2]:
顯微組織變化:
冷拔初期(3 道次,變形量 27.75%):等軸 α 相沿拉拔方向輕微伸長(zhǎng),β 相呈斷續(xù)分布。
中期(6 道次,變形量 51%):形成纖維組織,α 相拉長(zhǎng)為條狀(長(zhǎng)徑比 5-8),位錯(cuò)纏結(jié)密集。
后期(9 道次,變形量 64%):晶粒細(xì)化至 1-2μm,小角度晶界比例從 44.5% 增至 49.8%,織構(gòu)取向向 <10-10> 轉(zhuǎn)變 [2]。
力學(xué)性能提升:
硬度:維氏硬度從退火態(tài) 304 升至 357,增幅 17.4%。
強(qiáng)度:抗拉強(qiáng)度從 900MPa 提高至 1100MPa,屈服強(qiáng)度從 800MPa 升至 950MPa。
塑性:伸長(zhǎng)率從 15% 降至 8%,但通過中間退火(600℃×1h)可恢復(fù)至 10%[2]。
電子背散射衍射(EBSD)分析表明,拉拔誘導(dǎo)的 <10-10> 織構(gòu)使絲材沿軸向強(qiáng)度提高 20%,但徑向塑性下降,呈現(xiàn)明顯各向異性 [2]。
3.3 拉拔工藝與熱處理的協(xié)同優(yōu)化
為平衡 TC4 絲材的強(qiáng)度與塑性,需采用 “拉拔 + 中間退火” 復(fù)合工藝:
中間退火時(shí)機(jī):當(dāng)累積變形量達(dá) 40% 時(shí),絲材加工硬化嚴(yán)重(硬度 > 340HV),需進(jìn)行 600℃×1h 退火,通過位錯(cuò)回復(fù)與部分再結(jié)晶,使伸長(zhǎng)率從 6% 恢復(fù)至 12%[2]。
最終熱處理:拉拔完成后采用 550℃×2h 時(shí)效,促進(jìn) β 相中析出細(xì)小 α 相,進(jìn)一步提高強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度增加 50MPa),且不顯著降低塑性 [4]。
該工藝生產(chǎn)的 TC4 絲材可滿足航空緊固件要求(抗拉強(qiáng)度≥1000MPa,伸長(zhǎng)率≥8%),同時(shí)降低生產(chǎn)成本 30% 以上 [2]。
4、TC4鈦合金絲材的焊接失效機(jī)制與增材制造技術(shù)
4.1 焊接接頭的組織特征與失效原因
TC4鈦合金絲材采用鎢極氬弧焊時(shí),接頭區(qū)域因熱循環(huán)差異形成三個(gè)特征區(qū) [3]:
焊合區(qū):快速加熱(1000-1200℃)與冷卻(速率 > 100℃/s)導(dǎo)致 β 相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?α' 馬氏體,XRD 分析顯示 α' 相占比 > 80%,顯微硬度達(dá) 5.5GPa,是母材的 1.5 倍 [3]。
熱影響區(qū):溫度 600-900℃,等軸 α 相部分溶解,冷卻后形成魏氏組織,硬度 3.7GPa,塑性中等 [3]。
母材區(qū):未受熱影響,保持雙態(tài)組織,硬度 3.0-3.5GPa [3]。
沖擊試驗(yàn)表明,焊接接頭的斷裂均發(fā)生于焊合區(qū),斷口呈平齊狀,存在河流狀解理臺(tái)階,為典型脆性斷裂 [3]。原因是 α' 馬氏體滑移系少,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻,當(dāng)沖擊載荷作用時(shí),裂紋沿晶界快速擴(kuò)展 [3]。

4.2 電子束熔絲增材制造 TC11鈦合金的組織與性能
TC11鈦合金(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)通過電子束熔絲增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的近凈成形,其組織與性能調(diào)控規(guī)律如下 [5]:
沉積態(tài)組織:沿 <001> 方向生長(zhǎng)的柱狀晶(寬度 0.3-1.0mm),晶界存在連續(xù) α 相,晶內(nèi)為網(wǎng)籃狀 α 相(厚度 1.1μm),室溫抗拉強(qiáng)度 1058-1105MPa,但斷后伸長(zhǎng)率各向異性顯著(V 方向 10.3% vs H 方向 7.5%)[5]。
熱處理優(yōu)化:經(jīng) 950℃×2h 空冷 + 530℃×6h 空冷處理后,晶界連續(xù) α 相破碎,α 相粗化至 1.8μm,形成雙片層組織,室溫抗拉強(qiáng)度提升至 1122-1140MPa,伸長(zhǎng)率各向異性從 27.1% 降至 5.4%[5]。
高溫性能:500℃時(shí),熱處理態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度 755-772MPa,斷面收縮率 61.7%-65.8%,滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的使用要求 [5]。
增材制造與鍛件的界面過渡區(qū)存在 “雪花” 狀初生 α 相,是應(yīng)力集中的敏感區(qū)域,但熱處理后界面強(qiáng)度可達(dá) 1006MPa,滿足工程應(yīng)用要求 [5]。
4.3 焊接與增材制造的工藝改進(jìn)方向
為解決接頭脆性與各向異性問題,需從以下方面優(yōu)化工藝:
焊接熱輸入控制:采用脈沖鎢極氬弧焊,將熱輸入從 200J/mm 降至 100J/mm,減少 α' 馬氏體生成,使焊合區(qū)硬度降至 4.5GPa,沖擊韌性提高 50%[3]。
增材制造掃描策略:采用交替方向掃描,使柱狀晶生長(zhǎng)方向紊亂,降低織構(gòu)強(qiáng)度,各向異性可進(jìn)一步降至 3% 以下 [5]。
后續(xù)熱處理:焊接接頭采用 550℃×4h 消除應(yīng)力退火,增材構(gòu)件采用 β 區(qū)固溶(980℃)+ 時(shí)效處理,均可有效改善組織均勻性 [3,5]。
5、鎳鈦合金與鈦合金絲材的應(yīng)用場(chǎng)景與工藝適配性
5.1 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與工藝選擇
血管支架:鎳鈦合金需具備高超彈性(恢復(fù)率 > 95%)與耐疲勞性能,采用 400℃×5min 退火,確保相變溫度 A?<35℃,支架直徑可從 0.41mm 擴(kuò)張至 2-3mm 而不失效 [1]。
骨釘與正畸絲:TC4 絲材要求強(qiáng)度與韌性平衡,采用 “拉拔(變形量 50%)+600℃×1h 退火” 工藝,抗拉強(qiáng)度 1000MPa,伸長(zhǎng)率 10%,滿足植入物力學(xué)要求 [4]。
5.2 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)要求
發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件:TC4 絲材需抗蠕變與振動(dòng)疲勞,通過 9 道次拉拔 + 550℃時(shí)效,獲得纖維組織,10?次循環(huán)疲勞強(qiáng)度達(dá) 500MPa [2]。
壓氣機(jī)葉片:電子束增材制造 TC11 構(gòu)件經(jīng)雙重退火后,500℃高溫強(qiáng)度 755MPa,斷裂韌性 60MPa?m1/2,可替代傳統(tǒng)鍛件 [5]。

5.3 工藝適配性評(píng)估與典型案例
應(yīng)用場(chǎng)景 | 材料 | 核心性能要求 | 最優(yōu)工藝 |
血管支架 | 鎳鈦合金 | 超彈性、耐蝕性 | 400℃×5min 退火 |
航空緊固件 | TC4 | 高強(qiáng)度、疲勞性能 | 9 道次拉拔(變形 64%)+550℃時(shí)效 |
焊接結(jié)構(gòu)件 | TC4 | 接頭韌性、強(qiáng)度 | 脈沖氬弧焊 + 550℃消除應(yīng)力退火 |
高溫葉片 | TC11 | 高溫強(qiáng)度、各向異性低 | 電子束增材 + 950℃×2h+530℃×6h 退火 |
6、總結(jié)
本文系統(tǒng)分析了鎳鈦合金與鈦合金絲材的加工工藝、組織演化與性能調(diào)控規(guī)律,核心結(jié)論如下:
熱處理的關(guān)鍵作用:鎳鈦合金的超彈性隨退火溫度升高而下降,低溫短時(shí)工藝(400-450℃×5-10min)是最佳選擇;TC4鈦合金的退火溫度決定塑性水平,600℃時(shí)伸長(zhǎng)率達(dá) 11.3%,但強(qiáng)度略有降低。
拉拔工藝的強(qiáng)化機(jī)制:多道次拉拔通過晶粒細(xì)化與織構(gòu)調(diào)控提高 TC4 強(qiáng)度,最佳參數(shù)為工作錐角 7°、速度 30mm/s,累積變形量 64% 時(shí)硬度提升 17.4%,但需中間退火緩解加工硬化。
焊接與增材制造的挑戰(zhàn):TC4 焊接接頭的 α' 馬氏體導(dǎo)致脆性斷裂,需控制熱輸入并進(jìn)行消除應(yīng)力退火;TC11 增材制造構(gòu)件經(jīng)熱處理后,各向異性顯著降低,可滿足航空領(lǐng)域要求。
應(yīng)用導(dǎo)向的工藝適配:生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域優(yōu)先選擇低溫退火鎳鈦合金與中溫退火 TC4;航空航天領(lǐng)域則需結(jié)合拉拔強(qiáng)化與高溫時(shí)效,或采用增材制造 + 雙重退火技術(shù)。
未來研究應(yīng)聚焦于多工藝協(xié)同調(diào)控(如拉拔 - 熱處理耦合)、接頭性能優(yōu)化及服役行為預(yù)測(cè),推動(dòng)高端絲材的工程化應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 周劍杰,馬鳳倉(cāng),劉平,等。熱處理對(duì)鎳鈦合金絲材超彈性和相變的影響 [J]. 材料熱處理學(xué)報(bào),2017, 38 (12):114-120.
[2] 羅振鵬. TC4鈦合金絲材的拉拔設(shè)備及多道次拉拔工藝研究 [D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2022.
[3] 張飛奇,車偉,孫寶洋,等. TC4鈦合金絲材焊件沖擊失效分析 [J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2018, 35 (2):35-38.
[4] 汪斌,吳自越,張龍,等. TC4鈦合金絲材拉伸變形行為及退火溫度對(duì)其力學(xué)性能影響 [J]. 輕合金加工技術(shù),2022, 50 (11):33-36.
[5] 張國(guó)棟,張鵬,高健時(shí),等。電子束熔絲增材制造 TC11鈦合金組織及力學(xué)性能 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2023, 59 (4):105-112.
無(wú)相關(guān)信息