钛合金热处理后产生富氧a层问题综述2.空装驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁 沈阳 110034摘要：钛合金在热处理后表面会吸附气氛中的氧形成富氧a层本文对钛 合金富氧a层的微观组织、控制手段和影响因素进行了综述，通过金相照片观 察钛合金富氧a层为一条包含a相的白亮层，其显微硬度明显高于基体，钛合 金热处理时的温度和保温时间是影响其产生富氧a层的主要因素，富氧a层的 存在影响材料的使用性能，甚至造成零件失效关键词：热处理；a层；氧化1 前言钛合金是一种重要的航空航天结构材料，钛合金零部件通常需要进行高温热 加工或热处理，在热加工或热处理过程中，钛合金表面会吸附气氛中的氧形成富 氧a层，富氧a层的存在通常不利于钛合金的使用，缩短合金的使用寿命已 有研究表明富氧a层的存在会严重降低某些零件的应力承载能力，更易导致材 料断裂［1在载荷作用下，硬且脆的富氧a层会诱导裂纹萌生，在钛合金表面形 成裂纹源并随着使用时间的延长和使用过程中应力分布情况等因素继续扩展，最 终造成零件断裂因此，研究钛合金热处理后的微观组织，探究热处理工艺对富 氧a层的影响机理，有助于控制钛合金表面a层的产生，对钛合金零部件的使 用具有重要意义。
2富氧a层的微观组织钛合金富氧a层包括富氧a固溶体和氧化钛，其中影响性能的主 要是富氧a固溶体，a层中氧的含量从a相中氧的溶解极限逐渐减少到基体金 属中氧的含量a层通常在金相照片中表现为光亮的白色层图1所示为TC4钛 合金在真空炉内经700°C保温1h后的金相图片，可以发现a相在试样表层大量 富集，形成光亮的富氧a层，深度约为5 口m，试样心部a相含量相对较少图1 TC4钛合金在真空炉内700£保温1h后富氧a层的金相组织王荣等⑵研究发现BT3-1钛合金和TC6钛合金在热处理过程中均易形 成富氧a相，富氧a层的形貌为粗大的等轴a相或条状a相+B相组成魏 氏体组织的钛合金富氧a相优先于原始B晶界形成，晶界富氧a层的深度一 般为晶内富氧a相的2倍富氧a相层的硬度高于正常基体组织，且与正常基 体组织没有明显界限3 控制 a 层的方法钛合金富氧 a 层会明显影响材料的疲劳性能、断裂韧性和冲击性能 因此采取有效的手段控制a层十分必要目前控制a层主要从两方面着手，一 方面为事后控制，当前绝大部分钛合金零部件的生产工艺未考虑控制富氧a层 的生成，而是在热处理后采取机械加工或化学切铣的方法去除生成的 a 层。
同 时国外的研究表明，采取短脉冲激光去皮的方法可去除钛合金表面的富氧a层⑶ 另一方面为事先预防，通过在零件表面制备抗氧化涂层对高温氧化环境中服役的 钛合金零部件起到有效的防护效果但制备涂层过程中应注意避免钛合金表面吸 氧而形成富氧a层同时，张庆云、王荣等⑵研究发现真空热处理后TC4钛合金 富氧a层不连续且当真空度在10-4Pa以上时，可以有效的抑制a层的产生，采 用真空热处理手段是控制或消除表面富氧a层的有效方法4形成富氧a层的影响因素在一定温度下，钛合金表面吸附氧，氧元素扩散到组织中，可提高 表面a相稳定性，使表面a相在加热过程中不会转变成B相，从而导致表面 与心部组织出现差异于浩等⑴将TA2和TA15两种钛合金在600°C〜900°C加热 并保温5min〜180min，通过金相显微镜观察微观组织试验结果表明，在600C 热处理时，即使保温180min，表面与基体组织的形貌差异不大，并没有产生富氧 a层但当温度升至850°C时，随着保温时间的延长，TA2钛合金中初生a相逐 渐球化并长大表面吸氧后，相对于心部，a相稳定性显著提高，晶粒的长大更 为迅速在保温时间为30min时，富氧a层尚不明显，而当保温时间达到60min 时，钛合金表面出现非常明显的白亮区域，这就是富氧a层，其晶粒的平均尺 寸略大于基体等轴 a 相。
当保温时间达到 180min 时，富氧 a 层已经非常明显 晶粒的长大导致表面形成较厚的完整a层当温度升高到900C时，由于接近相 变点，心部组织转变为双态组织，而表层组织依然为明显的单一 a 相朱知寿［4］ 等研究发现钛合金在高温空气环境中保温时，在表面会形成一层氧化层(包括氧 化膜和富氧a层)，在低温氧化或氧化初期的氧化膜主要为TiO，在更高的温度 或长时间氧化后转化为氧化皮(TiO?),它是一层坚硬的金属氧化物，厚度很薄在450C〜600C，钛合金进行15min〜120min热处理保温，富氧a层形成速度 较慢，富氧a层深度随热处理保温时间的延长变化不大在700C以后，富氧 a层深度才有较大的变化在900C〜1000C以上进行热处理，富氧a层深度 可达0.1mm以上，而且在表面可以观察到TiO?氧化皮通过金相显微镜观察，发 现在相变点温度以下热处理后的表面和心部微观组织的区别不大，都为均匀细小 的a相和B转变组织当在相变点温度以上热处理时，表层与心部基体组织差 别明显，基体中出现较多B转变组织，而表面富氧a层中出现较多的粗大针状 a相组织因此，提高保温温度或延长保温时间都会促使钛合金表面富氧a层 的形成，且保温温度对微观组织的影响更加明显。
5富氧a层对力学性能的影响富氧a层对钛合金力学性能具有重要影响贾蔚菊⑸的研究结果表明，受富 氧a层的影响，Ti60钛合金形成富氧a层后强度提高，塑性明显降低；不具有 富氧a层的试样断裂类型为典型的韧窝型断裂；而具有富氧a层的试样裂纹起 源于试样表面，在微观断口上可以看到断裂小平面和大量的撕裂棱，裂纹沿着a 片层界面扩展刘华等［6］研究发现某压力容器封头在打压实验过程中焊缝开裂， 失效分析结果表明：封头焊缝开裂是由于焊接过程中焊缝内表面保护不良而形成 氧化层及富氧a层，且封头吊耳焊缝与环形焊缝叠加处具有一定的应力集中和 相对较高的残余应力，从而在压力实验过程中造成焊缝开裂综上所述，关于钛合金富氧a层的研究主要集中在其对力学性能的影响以及控制富氧a层产生的相关方法，对于其形成机制以及热处理真空度、 温度和时间等工艺参数的定量分析还有待进一步研究参考文献[1] 于浩，等.TA15和TA2钛合金富氧a层生成机制[J].航空材料学报， 2014，34(2):29-34[2] 王荣.钛合金中富氧a相的鉴定与分析.《理化检验物理分 册》．2003,39(11)：549-551[3] YU LY，WANG ZB，LI L．Material morphological characteristics in laser ablation of alpha case from titanium alloy[J]．Applied Surface Science，2012，258(20)：8065—8071[4] 朱知寿，王新南，吴崇周，等.钛合金富氧n层的形成与测定方法研 究．《稀有金属快报》，2007， (26)12：24．28[5] 贾蔚菊，曾卫东，俞汉清，等.热暴露对Ti60合金性能及断裂行为的 影响.《中国有色金属学报》2010, 35(1)： 106_109[6] 刘华•某压力容器封头焊缝开裂分析[J].材料工程，2007，(6)： 43-。