鈦的熱處理方法
一.鈦的基本熱處理:
工業純鈦是單相α 型組織，雖然在890℃以上有α-β 的多型體轉變，但由于
相變特點決定了它的強化效應比較弱，所以不能用調質等熱處理提高工業純鈦的
機械強度。工業純鈦唯一的熱處理就是退火。它的主要退火方法有三種：1 再結
晶退火 2 消應力退火 3 真空退火。前兩種的目的都是消除應力和加工硬化效應，
以恢復塑性和成型能力。
工業純鈦在材料生產過程中加工硬度效應很大。圖2-26 所示為經不同冷加
工后，TA2 屈服強度的升高，因此在鈦材生產過程中，經冷、熱加工后，為了恢
復塑性，得到穩定的細晶粒組織和均勻的機械性能，應進行再結晶退火。工業純
鈦的再結晶溫度為550-650℃，因此再結晶退火溫度應高于再結晶溫度，但低于
α-β 相的轉變溫度。在650-700℃退火可獲得最高的綜合機械性能(因高于700℃
的退火將引起晶粒粗大，導致機械性能下降)。退火材料的冷加工硬化一般經
10-20 分鐘退火就能消除。這種熱處理一般在鈦材生產單位進行。為了減少高溫
熱處理的氣體污染并進一步脫除鈦材在熱加工過程中所吸收的氫氣，目前一般鈦
材生產廠家都要求真空氣氛下的退火處理。
為了消除鈦材在加工過程(如焊接、爆炸復合、制造過程中的輕度冷變形)
中的殘余應力，應進行消應力熱處理。
消應力退火一般不需要在真空或氬氣氣氛中進行，只要保持爐內氣氛為微氧
化性即可。
二.鈦及鈦合金的熱處理:
為了便于進行機械工業加并得到具有一定性能的鈦和鈦合金，以滿足各種
產品對材料性能的要求，需要對鈦及鈦合金進行熱處理。
1．工業純鈦(TA1、TA2、TA3)的熱處理
α-鈦合金從高溫冷卻到室溫時，金相組織幾乎全是α 相，不能起強化作用，
因此，目前對α-鈦只需要進行消應力退火、再結晶退火和真空退火處理。前
兩種是在微氧化爐中進行，而后者則應在真空爐中進行。
(一)消應力退火
為了消除鈦和鈦合金在熔鑄、冷加工、機械加工及焊接等工藝過程中所產生
的內應力，以便于以后加工，并避免在使用過程中由于內應力存在而引起開裂破
壞，對α-鈦應進行消除應力退火處理。消除應力退火溫度不能過高、過低，因為
過高引起晶粒粗化，產生不必要的相變而影響機械性能，過低又會使應力得不到
消除，所以，一般是選在再結晶溫度以下。對于工業純鈦來說，消除應力退火的
加熱溫度為500-600℃。加熱時間應根據工件的厚度及保溫時間來確定。為了提
高經濟效果并防止不必要的氧化，應選擇能消除大部分內應力的最短時間。工業
純鈦消除應力退火的保溫時間為15-60 分鐘，冷卻方式一般采用空冷。
(二)再結晶退火(完全退火)
α-鈦大部分在退火狀態下使用，退火可降低強度、提高塑性，得到較好的綜
合性能。為了盡可能減少在熱處理過程中氣體對鈦材表面污染，熱處理溫度盡可
能選得低些。工業純鈦的退火溫度高于再結晶溫度，但低于α 向β 相轉變的溫度
120-200℃，這時所得到的是細晶粒組織。加熱時間視工件厚度而定，冷卻方式
一般采用空冷。對于工業純鈦來說，再結晶退火的加熱溫度為680-700℃，保溫
時間為30-120 分鐘。規范的選取要根據實際情況來定，通常加熱溫度高時，保
溫時間要短些。
需要指出的是，退火溫度高于700℃時，而且保溫時間長時，將引起晶粒粗
化，導致機械性能下降，同時，晶粒一旦粗化，用現有的任何熱處理方法都難以
使之細化。為了避免晶粒粗化，可采取下列兩種措施：
1)盡可能將退火溫度選在700℃以下。
2) 退火溫度如果在700℃以上時，保溫時間盡可能短些，但在一般情況下，
每mm 厚度不得少于3 分鐘，對于所有工件來講，不能小于15 分鐘。
(三)真空退火
鈦中的氫雖無強化作用，但危害性很大，能引起氫脆。氫在α-鈦中的溶解
度很小，主要呈TiH2 化合物狀態存在，而TiH2 只在300℃以下才穩定。如將α-
鈦在真空中進行加熱，就能將氫降低至0.1%以下。當鈦中含氫量過多時需要除
氫，為了除氫或防止氧化，必須進行真空退火。真空退火的加熱溫度與保溫時間，
與再結晶退火基本相同。冷卻方式為在爐中緩冷卻到適當的溫度，然后才能開爐，
真空度不能低于5×10-4mmHg。
二．TC4(Ti-6Al-4V)的熱處理
在鈦合金中，TC4 是應用比較廣泛的一種鈦合金，通常它是在退火狀態下
使用。對TC4 可進行消除應力退火、再結晶退火和固溶時效處理，退火后的組織
是α 和β 兩相共存，但β 相含量較少，約占有10%。TC4 再結晶溫度為750℃。
再結晶退火溫度一般選在再結晶溫度以上80~100℃(但在實際應用中，可視具
體情況而定，如表5-26)，再結晶退火后TC4 的組織是等軸α 相+β 相，綜合性
能良好。但對TC4 的退火處理只是一種相穩定化處理，為了充分民掘其優良性
能的潛力，則應進行強化處理。TC4 合金的α+β/β 相轉變溫度為980~990℃，固
溶處理溫度一般選在α+β/β 轉變溫度以下40~100℃(視具體情況而定，如表5-26
所示)，因為在β 相區固溶處理所得到的粗大魏氏體組織雖具有持久強度高和斷
裂韌性高的優點，但拉伸塑性和疲勞強度均很低，而在α+β 相區固溶處理則無此
缺點。
規 范
類 型
溫 度(℃) 時間(min) 冷 卻 方 式
消除應力退火 550~650 30~240 空 冷
再結晶退火 750~800 60~120 空冷或隨爐冷卻至590℃后空冷
真空退火 790~815
固溶處理 850~950 30~60 水 淬
時效處理 480~560 4~8h 空 冷
時效處理是將固溶處理后的TC4 加熱到中等溫度，保持一定時間，隨后空冷。
時效處理的目的是消除固溶處理所產生的對綜合性能不利的α’相。固溶處理所產
生的淬火馬氏體α’，在時效過程中發生迅速分解(相變相當復雜)，使強度升高，
對此有兩種看法：
1。認為由于α’分解出α+β，分解產物的彌散強化作用使TC4 強度升高。
2.認為在時效過程中，β 相分解形成ω 相，造成TC4 強化。
隨著時效的進行，強度降低，對此現象也有兩種不同的觀點：
1．β 相的聚集使強度降低(與上述1 對應)。
2．ω 相的分解為一軟化過程(與上述2 對應)。
時效溫度和時間的選擇要以獲得最好的綜合性能為準。在推薦的固溶及時效
范圍內，最好通過時效硬化曲線來確定最佳工藝(如圖5-28 所示。此曲線為TC4
經850℃固溶處理后，在不同溫度下的時效硬化曲線)。低溫時效(480-560℃)
要比大于700℃的高溫時效好。因為在高溫時的拉伸強度、持久和蠕變強度、斷
裂韌性以及缺口拉伸性能等各方面，低溫時效都比高溫時效的好。
經固溶處理的TC4 綜合性能比750-800℃ 退火處理后的綜合性能要好。
需要指出的是，TC4 合金的加工態原始組織對熱處理后的顯微組織和力學性
能有較大的影響。對于高于相變溫度，經過不同變形而形成的網蘭狀組織來說，
是不能被熱處理所改變，在750~800℃退火后，基本保持原來的組織狀態；對于
在相變溫度以下進行加工而得到的α 及β 相組織，在750-800℃退火后，則能得
到等軸初生α相及轉變的β相。前者的拉伸延性和斷面收縮率都較后者低；但耐
高溫性能和斷裂韌性、抗熱鹽應力腐蝕都較高。
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的熱處理
Ti-32Mo-2.5Nb 是穩定β 型單相固溶合金，只需進行消除應力退火處理，
退火溫度為750~800℃，保溫一小時，冷卻方式采用空冷、爐冷均可。
五．熱處理中的幾個問題
(一)污染問題
鈦有極高的化學活性，幾乎能與所有的元素作用。在室溫下能與空氣中的氧
起反應，生成一層極薄的氧化膜，氧化速率很小。但在高的溫度下，除了氧化速
率加快并向金屬晶格內擴散外，鈦還與空氣中的氫、氮、碳等起激烈的反應，也
能與氣體化合物CO、CO2、H2O、NH4 及許多揮發性有機物反應。熱處理金屬元
素與工件表面的鈦發生反應，使鈦表面的化學成分發生變化，其中一些間隙元素
還能透過金屬點陣，形成間隙固溶體。況且除氫以外，其他元素與鈦的反應是不
可逆的。即使是氫，也不允許在最終熱處理后，進行高溫去除。間隙元素不僅影
響鈦和鈦合金的力學性能，而且還影響α+β/β 轉變溫度和一些相變過程，因此，
對于間隙元素，尤其是氣體雜質元素對鈦和鈦合金的污染問題，在熱處理中必須
引起重視。
(二)加熱爐的選擇
為在加熱過程中防止污染，必須對不同要求的工件采取不同的措施。若在最
后經磨削或其他機械加工能將工件表面的污染層去除時，可在任何類型的加熱爐
中進行加熱，爐內氣氛呈中性或微氧化性。為防止吸氫，爐內應絕對避免呈還原
性氣氛。當工件的最后加工工序為熱處理時，一定要采用真空爐(真空度要求在
1×10-4mmHg)或氬氣氣氛(氬氣純度在99.99%以上并且干燥)的加熱爐中進行
加熱。熱處理完畢后，必要時用30%的硝酸加3%的氫氟酸其余為水，在50℃溫
度下對工件進行酸洗，或輕微磨削，以除去表面污染層。
(四)加熱方法
在熱處理進行以前，首先要對加熱爐爐膛進行清理，爐內不應有其他金屬或
氧化皮；對于工件，則要求表面沒有油污、水和氧化皮。
用真空爐對鈦工件進行加熱是防止污染的一種有效方法，但由于目前條件所
限，許多工廠還是采用一般加熱爐。在一般加熱爐中加熱，根據需求的不同采用
不同的措施防止污染，比如：
1．根據工件的大小，可裝在封閉的低碳鋼容器中，抽真空后進行加熱。若無真
空泵可通入惰性氣體(氬氣或氦氣)進行保護，保護氣體要多次反復通入、
排出，把空氣完全排凈。
2．使用涂層也是熱處理中保護鈦免遭污染的措施之一，在國外已取得一定的經
驗。國內一些工廠也在采用高溫漆和玻璃涂料作涂層。有人認為，目前對鈦
所用的各種保護涂層，只能減少污染的深度，并不能完全免除污染。對每種
熱處理，必須考慮允許的污染深度，選擇合適有效的涂層，其中也包括熱處
理后的剝離。
3．若用火焰加熱，在加熱過程中切忌火焰直接噴射在鈦工件上，煤氣火焰是鈦
吸氫的主要根源之一。而用燃油加熱，如若不慎將會引起鈦工件過分氧化或
增碳。
(五) 冷卻
鈦和鈦合金熱處理的冷卻方式主要是空冷或爐冷，也有采用油冷或風扇冷卻
的。淬火介質可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液，但通常使用最廣泛的淬火
介質是水。
只要能滿足鈦和鈦合金對冷卻速度的要求。一般鋼的熱處理所采用的冷卻裝
置對鈦都適用。