Ti60與Ti65作為我國自主研發(fā)的近α型高溫鈦合金，憑借優(yōu)異的高溫強度、抗氧化性和抗蠕變性能，已成為航空發(fā)動機壓氣機葉片、輪盤等熱端部件的核心材料。Ti60合金長期使用溫度可達600℃，Ti65則進一步拓展至650℃，兩者均通過Al、Sn、Zr等元素固溶強化及Si化物析出強化實現(xiàn)性能提升。隨著航空航天技術(shù)對構(gòu)件輕量化、長壽命的需求升級，兩類合金的連接工藝、氧化行為、織構(gòu)調(diào)控及高溫力學(xué)性能優(yōu)化成為研究熱點，其性能調(diào)控機制與工程應(yīng)用技術(shù)的突破對高端裝備發(fā)展具有重要意義。
當(dāng)前針對Ti60與Ti65的研究已覆蓋材料制備、熱處理、連接技術(shù)及服役行為等多個維度。擴散連接技術(shù)實現(xiàn)了復(fù)雜構(gòu)件的整體成形，但其界面結(jié)合質(zhì)量與基體性能匹配仍需優(yōu)化；高溫氧化行為揭示了氧化動力學(xué)規(guī)律與富氧層危害，為防護涂層設(shè)計提供依據(jù)；織構(gòu)研究闡明了晶體取向?qū)αW(xué)性能的各向異性影響，指導(dǎo)了軋制與熱處理工藝協(xié)同調(diào)控；固溶時效制度的優(yōu)化則實現(xiàn)了強度與塑性的平衡。然而，兩類合金在極端工況下的性能穩(wěn)定性、連接接頭的長期可靠性等問題仍有待深入探索。
利泰金屬系統(tǒng)整合5篇研究文獻的核心數(shù)據(jù)，從材料特性出發(fā)，依次闡述Ti60合金的擴散連接工藝、氧化行為、織構(gòu)與性能關(guān)系，Ti65合金的高溫力學(xué)性能規(guī)律，以及Ti60軋棒的固溶處理優(yōu)化。通過對比分析工藝參數(shù)與性能的關(guān)聯(lián)機制，總結(jié)關(guān)鍵技術(shù)突破與現(xiàn)存問題，為高溫鈦合金的工程應(yīng)用與技術(shù)升級提供系統(tǒng)性參考。
1、Ti60與Ti65鈦合金的材料特性
1.1化學(xué)成分與強化機制
Ti60鈦合金屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系近α型合金，其典型化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）為：Al5.5% ~6.5%、Sn3.5%~4.0%、Zr3.0%~3.5%、Mo0.5%~0.8%、Nb0.3%~0.5%、Ta0.8%~1.0%、Si0.3%~0.4%，其余為Ti[1][5]。其中，Al和Sn作為α相穩(wěn)定元素，通過固溶強化提高合金的高溫強度；Mo、Nb、Ta等β相穩(wěn)定元素可改善工藝塑性，抑制β相晶粒粗化；Si則通過形成(Ti,Zr)?Si等硅化物顆粒，顯著提升合金的抗蠕變性能[5]。
Ti65鈦合金在Ti60基礎(chǔ)上調(diào)整成分，典型化學(xué)成分為（質(zhì)量分數(shù)）：Al5.8%、Sn4.0%、Zr3.5%、Mo0.5%、Ta1.0%、Si0.4%、W0.8%、Nb0.3%、C0.055%，余量為Ti[4]。新增的W元素進一步增強了高溫穩(wěn)定性，與Si協(xié)同作用形成更穩(wěn)定的析出相，使其長期使用溫度提升至650℃，比Ti60高出50℃[4]。
1.2基礎(chǔ)力學(xué)性能
Ti60合金的室溫力學(xué)性能優(yōu)異，熱軋退火態(tài)的屈服強度為1139.7MPa，抗拉強度達1154.5MPa，斷后伸長率15.2%[1]。在550℃高溫環(huán)境下，經(jīng)優(yōu)化熱處理后其抗拉強度仍可保持在800MPa以上，滿足航空發(fā)動機壓氣機部件的服役要求[5]。
Ti65合金則更側(cè)重高溫性能，在740℃、應(yīng)變率0.0018s?1條件下，峰值應(yīng)力可達381.1MPa；即使在840℃高溫下，相同應(yīng)變率時峰值應(yīng)力仍能維持在138MPa，展現(xiàn)出比Ti60更優(yōu)的高溫承載能力[4]。
2、Ti60鈦合金的擴散連接工藝
2.1工藝參數(shù)對界面性能的影響
2.1.1保溫溫度的作用
在保壓壓力2MPa、保溫時間2h的條件下，保溫溫度對Ti60合金擴散連接界面的焊合率和剪切強度影響顯著（表1）。當(dāng)溫度從900℃升至960℃時，界面焊合率從70.0%提升至98.5%，剪切強度從196.0MPa增至559.6MPa[1]。
微觀組織演變：900℃時，界面存在大量長條狀孔洞，β相體積分數(shù)較高；隨著溫度升高，孔洞逐漸球化并減少，β相含量降低，晶界與晶粒逐漸占據(jù)界面結(jié)合區(qū)域[1]。940℃是性能突變點，此時焊合率達95.9%，剪切強度547.9MPa，繼續(xù)升溫至960℃，性能提升幅度明顯減緩[1]。這是因為高溫促進原子擴散，加速孔洞彌合，但同時也會導(dǎo)致基體晶粒粗化，抵消部分強化效果。
2.1.2保溫時間與保壓壓力的影響
在940℃、2MPa條件下，保溫時間從0.5h延長至3.0h，焊合率從84.9%升至97.8%，剪切強度從261.6MPa增至559.2MPa[1]。0.5~2.0h是性能快速提升階段，2.0h后界面孔洞基本消除，性能趨于穩(wěn)定[1]。
保壓壓力對界面性能的影響呈現(xiàn)先升后穩(wěn)的趨勢：1.0MPa時焊合率89.0%、剪切強度439.7MPa；2.0MPa時焊合率95.9%、剪切強度547.9MPa；3.0MPa時焊合率97.4%、剪切強度557.7MPa[1]。壓力通過增加界面接觸面積促進擴散，但過高壓力（如2.5MPa）可能因受力不均導(dǎo)致局部未貼合，反而使焊合率略有下降[1]。
2.2最優(yōu)工藝與基體性能變化
綜合試驗數(shù)據(jù)，Ti60合金擴散連接的最優(yōu)工藝為960℃/2MPa/2h，此時焊合率98.5%，剪切強度559.6MPa，接近基體強度的95%[1]。但需注意，高溫處理會導(dǎo)致基體強度下降：940℃保溫2h后，室溫抗拉強度從1154.5MPa降至994.1MPa，降幅約14%[1]。這是由于α晶粒等軸粗化和回復(fù)再結(jié)晶所致，后續(xù)需通過熱處理優(yōu)化恢復(fù)性能[1]。
3、Ti60鈦合金的高溫氧化行為
3.1氧化動力學(xué)規(guī)律
Ti60合金在600~750℃范圍內(nèi)的氧化符合線性-拋物線混合規(guī)律，氧化指數(shù)n（Wagner公式）為1~2，氧化激活能256kJ/mol[2]。600℃時氧化增量極小，100h內(nèi)單位面積增重不足0.1mg/cm2；750℃時氧化顯著加劇，100h增重可達0.8mg/cm2以上[2]。
溫度依賴性：600~650℃時，氧化接近拋物線規(guī)律（n≈1.8~1.9），受擴散控制；700~750℃時，n降至1.2~1.5，氧化受擴散與表面反應(yīng)共同控制[2]。激活能256kJ/mol處于鈦合金典型氧化激活能范圍（183~299kJ/mol），表明其抗氧化性能優(yōu)于IMI834合金（激活能184kJ/mol）[2]。
3.2氧化產(chǎn)物與富氧層
3.2.1氧化物組成
600℃氧化100h或750℃氧化10h時，氧化產(chǎn)物主要為TiO?；750℃氧化100h后，表面除TiO?外，還檢測到少量Al?O?[2]。這是因為長期高溫下，TiO?與基體界面處貧Ti，使Al當(dāng)量濃度升高，促進Al?O?生成[2]。Al?O?的出現(xiàn)可略微降低氧化速率，但因含量少（XRD峰強度弱），對整體抗氧化性提升有限[2]。
3.2.2富氧層特征
氧在擴散形成氧化層的同時，會向基體滲透形成脆性富氧層。650℃氧化100h時，富氧層厚度約50μm；750℃氧化100h時，厚度增至200μm以上[2]。富氧層與基體界限清晰，內(nèi)部易產(chǎn)生橫向裂紋（圖8），在拉伸載荷下可引發(fā)早期斷裂，顯著惡化力學(xué)性能[2]。
氧化物優(yōu)先沿原始β晶界形核，這是由于β晶界缺陷多、擴散通道豐富，使氧更易聚集形成TiO?，從而在表面勾勒出基體組織形貌[2]。
4、Ti60合金棒材的織構(gòu)與拉伸性能
4.1鍛態(tài)與熱處理態(tài)織構(gòu)特征
4.1.1不同規(guī)格棒材的織構(gòu)差異
D45棒材（直徑45mm）：鍛態(tài)組織主要存在α相<0001>和<101ˉ0>方向的絲織構(gòu)，軸向與α相c軸或<101ˉ0>方向平行[3]。
D30棒材（直徑30mm）：鍛態(tài)以<101ˉ0>絲織構(gòu)為主，<0001>織構(gòu)較弱[3]。
這種差異源于精鍛變形量：D30變形量更大，柱面滑移系充分開動，促使<101ˉ0>取向晶粒擇優(yōu)生長[3]。
4.1.2熱處理對織構(gòu)的影響
隨固溶溫度升高（950~1050℃），兩類棒材的<0001>絲織構(gòu)均增強，<101ˉ0>絲織構(gòu)減弱：
D45棒材：1050℃處理后，<0001>織構(gòu)最大密度達8.4，<101ˉ0>織構(gòu)幾乎消失[3]。
D30棒材：1050℃處理后形成強<0001>絲織構(gòu)，密度顯著高于D45[3]。
這是因為高溫下β相比例增加，冷卻時次生α相沿β相<110>方向析出，繼承了β相的織構(gòu)特征[3]。
4.2織構(gòu)對拉伸性能的影響
織構(gòu)是影響Ti60棒材拉伸性能的關(guān)鍵因素：
D45棒材：熱處理對強度影響較小，1000℃處理后屈服強度1009MPa、抗拉強度1105MPa，塑性隨溫度升高略有下降（1050℃時延伸率6.1%）[3]。
D30棒材：強度隨溫度升高顯著增加，1050℃處理后屈服強度1086MPa、抗拉強度1144MPa，但延伸率僅3.3%[3]。
機理分析：<0001>織構(gòu)需開動高臨界剪切應(yīng)力的錐面滑移系，導(dǎo)致強度升高、塑性下降；<101ˉ0>織構(gòu)則易激活柱面滑移系，塑性更優(yōu)[3]。1000℃處理可獲得強度與塑性的平衡，是D30棒材的最優(yōu)選擇[3]。
5、Ti65鈦合金板材的高溫力學(xué)性能
5.1溫度與應(yīng)變率的影響
5.1.1溫度對峰值應(yīng)力的作用
在應(yīng)變率0.0018s?1條件下，Ti65板材的峰值應(yīng)力隨溫度升高顯著降低：740℃時達381.1MPa，790℃時降至236.7MPa，840℃時僅138.0MPa[4]。這是因為高溫降低了滑移系臨界剪切應(yīng)力，促進動態(tài)回復(fù)與再結(jié)晶，使軟化作用主導(dǎo)變形過程[4]。
5.1.2應(yīng)變率的影響
790℃時，應(yīng)變率從0.0012s?1增至0.0024s?1，峰值應(yīng)力從207.9MPa升至244.9MPa[4]。高應(yīng)變率下，位錯來不及充分運動，動態(tài)軟化不充分，硬化作用更顯著[4]。
5.2高溫斷裂機制
Ti65合金高溫斷裂以微孔聚集型塑性斷裂為主。740℃時斷口存在大量分布不均的大尺寸孔洞；790℃時則形成數(shù)量多、分布均勻的小尺寸等軸韌窩[4]。溫度越高等軸韌窩越多，塑性越好，與延伸率測試結(jié)果一致[4]。
熱成形工藝推薦：790℃為最優(yōu)溫度，此時變形抗力適中（峰值應(yīng)力236.7MPa），塑性良好，可兼顧加工效率與模具壽命[4]。
6、固溶制度對Ti60合金軋棒組織和性能的影響
6.1固溶溫度的調(diào)控作用
在α+β兩相區(qū)（1000~1020℃）固溶處理后，Ti60軋棒的組織與性能變化如下：
組織演變：隨溫度升高，等軸α相含量從50%（1000℃）降至8%（1020℃），板條狀α相消失，次生α相（細針狀）含量增加[5]。
性能變化：室溫抗拉強度從1050MPa（1000℃）升至1070MPa（1020℃），塑性變化不明顯（延伸率約10%）[5]。
這是由于次生α相的析出強化效應(yīng)超過晶粒粗化的軟化作用，使強度略升[5]。
6.2冷卻方式的影響
1010℃固溶后，不同冷卻方式對組織性能影響顯著（冷卻速率：水冷>空冷>爐冷30min后空冷）：
組織差異：冷卻速率降低，片狀α厚度、α集束尺寸及晶界α厚度均增加[5]。
性能變化：室溫抗拉強度從水冷的1150MPa降至爐冷的1040MPa，550℃高溫強度同步下降，塑性則隨冷卻速率降低略有提升[5]。
最優(yōu)熱處理制度為：1010℃保溫2h空冷+700℃保溫2h空冷，此時抗拉強度1070MPa，延伸率10%，強塑匹配最佳[5]。
7、總結(jié)
本文基于五篇文獻系統(tǒng)研究了Ti60與Ti65高溫鈦合金的關(guān)鍵技術(shù)特性，核心結(jié)論如下：
Ti60擴散連接：960℃/2MPa/2h為最優(yōu)工藝，焊合率98.5%，剪切強度559.6MPa，高溫處理會使基體強度下降14%，需后續(xù)熱處理恢復(fù)[1]。
Ti60氧化行為：600~750℃氧化符合線性-拋物線規(guī)律，氧化產(chǎn)物以TiO?為主，長期高溫生成少量Al?O?；富氧層厚度隨溫度和時間增加，易引發(fā)裂紋[2]。
Ti60織構(gòu)調(diào)控：<0001>織構(gòu)增強可提高強度但降低塑性，1000℃熱處理是D30棒材的最優(yōu)選擇，可平衡強塑性能[3]。
Ti65高溫性能：740~840℃范圍內(nèi)，峰值應(yīng)力隨溫度升高降低、隨應(yīng)變率增加升高，790℃是熱成形的最佳溫度[4]。
Ti60固溶優(yōu)化：1010℃空冷+700℃時效可獲得最佳強塑匹配，適用于軋棒工業(yè)化生產(chǎn)[5]。
兩類合金的性能調(diào)控需結(jié)合具體應(yīng)用場景：Ti60適用于600℃以下的結(jié)構(gòu)件，Ti65則可滿足650℃高溫需求，其工藝優(yōu)化為航空發(fā)動機熱端部件的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。
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