钛合金板材因其优异的比强度、耐腐蚀性和高温性能，在航空航天、海洋工程、化工装备等领域占据关键地位。随着高端装备对材料性能要求的不断提升，钛合金板材的制备工艺优化、组织调控及性能改进成为研究热点。本文基于四篇代表性研究成果，系统梳理 TA1、TC4、TA10 等典型钛合金板材的热轧氧化行为、热处理工艺、中厚板制备技术及激光焊接特性，揭示工艺参数与组织性能的关联机制，为钛合金板材的工程应用提供理论与数据支撑。
当前钛合金板材制备面临多重技术挑战：热轧过程中的氧化与渗氧会导致表面性能劣化，热处理工艺直接影响板材塑性与强度的平衡，中厚板制备存在组织不均匀与残余应力问题，焊接过程易因高温氧化降低接头性能。针对这些问题，现有研究通过优化工艺参数、创新处理技术实现了性能突破，如 TC4 钛合金经激光抛光后耐磨性提升 176.79%，TA10 板材通过退火处理使断后伸长率达到 29.5%。
永益钛将从钛合金板材的氧化行为入手，深入分析热轧过程中氧化皮、富氧层的形成机制；系统阐述 TA10 板材的热处理工艺对组织与力学性能的影响；详细介绍中厚板制备中的组织调控技术及现存问题；最后探讨工业纯钛激光焊接的工艺优化与接头性能。通过整合核心数据与机理分析，为钛合金板材的高效制备与性能提升提供全面参考。
1、钛合金板材热轧过程中的氧化与渗氧行为
1.1 氧化皮的形成与结构差异
钛合金在热轧过程中，表面与高温空气接触会形成氧化皮，其结构与厚度因合金成分不同存在显著差异。研究表明，TA1 纯钛与 TC4 钛合金的氧化皮特性呈现明显区别：TA1 的氧化皮表面相对平整，厚度约为 0.8~2.2μm，主要由 TiO₂组成，成分简单；而 TC4 的氧化皮表面粗糙且多孔，厚度达 4~7μm，除 TiO₂外，还含有 Al、V 的氧化物，其中 V₂O₅因熔点低（675℃）在高温下易熔化挥发，导致氧化皮疏松多孔 [1]。
这种结构差异的根源在于合金元素的作用：TC4 中的 V 元素形成低熔点氧化物，破坏氧化皮的连续性，加速氧的扩散；而 TA1 作为纯钛，氧化皮结构致密，能有效阻碍氧的进一步渗透。扫描电镜观察显示，TC4 氧化皮存在大量孔洞与裂纹，为氧原子向基体扩散提供通道，这也是其氧化皮厚度显著大于 TA1 的核心原因 [1]。
1.2 富氧层与硬化层的关联机制
高温热轧不仅形成氧化皮，还会导致氧原子向基体扩散，形成富氧层。TA1 纯钛的富氧层厚度约为 5μm，而 TC4 钛合金的富氧层可达 60μm，差异源于两方面：一是 TC4 氧化皮的多孔结构促进氧传质，二是 TC4 中的 β 相为氧原子扩散提供快速通道（900℃时，氧在 β 相中的扩散系数是 α 相的 200 倍）[1]。
富氧层的存在直接导致硬化层形成，且两者厚度基本一致。TC4 的硬化层厚度约 58μm，显微硬度从表面的 480HV 逐渐降至基体的 340HV；TA1 的硬化层厚度小于 9.1μm，硬度变化幅度较小 [1]。这种硬化效应源于氧原子的间隙固溶强化：氧在钛中形成间隙固溶体，使晶格畸变，阻碍位错运动，从而提高材料硬度，但同时也会降低塑性。
1.3 工艺优化对氧化行为的改善
为减轻热轧氧化的不利影响，实际生产中需针对不同合金制定差异化工艺：对于 TA1 纯钛，因其氧化速度较慢，可适当缩短酸洗时间以提高成材率；对于 TC4 钛合金，需严格控制加热温度与时间，减少 V₂O₅的挥发与氧化皮孔隙形成，同时通过 “喷丸 + 酸洗” 工艺去除富氧层，避免韧性下降 [1]。此外，采用惰性气体保护或涂层防护技术，可有效抑制氧化与渗氧，尤其适用于对表面性能要求严苛的航空航天用板材。
2、TA10 钛合金板材的热处理工艺优化
2.1 退火温度对组织与性能的影响
TA10 钛合金（Ti-0.3Mo-0.8Ni）作为耐蚀钛合金，其热轧板材的塑性指标对后续爆炸复合工艺至关重要。研究表明，退火温度是调控 TA10 组织性能的关键参数：当温度低于 650℃时，板材保持条带状轧制变形组织，断后伸长率仅 21%~25%；当温度升至 700~750℃时，发生再结晶，形成均匀等轴 α 相，断后伸长率提升至 28%~29.5%；超过 800℃时，晶粒异常长大，塑性反而下降 [2]。
显微组织分析显示，750℃退火时 TA10 板材的再结晶最充分，等轴 α 晶粒尺寸约 10~15μm，分布均匀；而 800℃退火会导致部分晶粒粗化至 50μm 以上，形成 “混晶” 结构，导致力学性能波动 [2]。硬度测试表明，退火温度从 550℃升至 750℃，抗拉强度从 595MPa 降至 560MPa，而屈服强度从 580MPa 降至 500MPa，体现了强度与塑性的平衡优化。
2.2 保温时间的调控作用
在最优退火温度（750℃）下，保温时间对 TA10 板材性能的影响呈现规律性变化：保温 15min 时，再结晶不完全，仍存在部分条带状组织，伸长率仅 22%~23%；30min 时再结晶基本完成，伸长率达 27.5%~28%；60min 时完全再结晶，等轴晶粒均匀细化，伸长率升至 29%~29.5%；超过 120min 后，晶粒开始粗化，伸长率逐渐下降至 25%~27%[2]。
这一规律源于再结晶动力学过程：较短保温时间无法消除轧制变形储存能，再结晶不充分；适宜时间促进晶粒细化与均匀化；过长时间则因晶粒长大导致塑性下降。因此，TA10 板材的最佳热处理工艺为 700~750℃×30~60min 空冷，此时可满足爆炸复合对塑性（伸长率≥25%）的要求，同时保持 560MPa 的抗拉强度 [2]。
3、钛合金中厚板制备技术与组织调控
3.1 不同组织类型的调控工艺
钛合金中厚板（厚度＞4.76mm）的组织类型直接决定其力学性能，通过轧制与热处理可实现等轴、全片层、网篮、双态四种典型组织的精准调控：
等轴组织：在 α+β 两相区（TC4 为 800~900℃）轧制，经 800℃×60min 退火后形成，晶粒尺寸 5~10μm，具有优异的强度与塑性平衡，TC4 板材抗拉强度达 996~1052MPa，断后伸长率 16.5%~18.5%[3]。
全片层组织：在 β 相区（TC4 为 1000~1040℃）固溶处理后缓冷形成，α 片层沿原始 β 晶界分布，断裂韧性显著提升（KIC=89.7~95.2MPa・m¹/²），但强度略低（Rm=974~986MPa）[3]。
网篮组织：通过跨相区轧制（单相区与两相区变形量比 1:1）获得，α 片层交错排列，TC11 合金板材的抗拉强度达 1015MPa，断面收缩率 35%~41%[3]。
双态组织：高两相区轧制后经 960℃固溶 + 600℃时效处理形成，由初生 α 相（30%~40%）与次生 α 片层组成，兼具高强度（Rm=1012MPa）与高塑性（A=16%）[3]。
3.2 中厚板制备的关键问题与解决方案
当前中厚板制备存在三大技术瓶颈：一是翘曲度超标，常规工艺下板材翘曲度为 8~15mm/m，通过真空蠕变矫形（温度 700~750℃，压力 5~10MPa）可降至 3~5mm/m；二是残余应力大，TC4 厚板表层残余应力可达 - 352MPa，经频谱谐波振动时效处理后可控制在 - 50~+50MPa；三是超声探伤水平不稳定，因组织不均匀（如 MZ 区尺寸 1~10mm）导致噪声超标，通过换向轧制与均匀化退火可使探伤水平稳定达到 AA 级 [3]。
针对这些问题，研究提出多项创新技术：采用控轧控冷（TMCP）技术，通过精确控制轧制温度（±5℃）与冷却速率（1~200℃/s）实现组织均匀化；开发多次交叉轧制工艺，使 TC4 板材纵横向抗拉强度差异从 45MPa 降至 3MPa；应用微合金化技术，添加 0.1%~0.5% Si 形成纳米硅化物，提升高温持久性能 [3]。
4、工业纯钛板的激光焊接工艺与接头性能
4.1 焊接工艺参数的优化
工业纯钛板的激光焊接质量取决于功率与速度的匹配，在定线能量（60J/mm）条件下，不同参数组合对焊缝成形影响显著：当激光功率 3.6kW、焊接速度 0.06m/s 时，焊缝上表面熔宽约 1.6mm；功率降至 1.2kW、速度 0.02m/s 时，熔宽增至 2.2mm。但速度过低会导致热输入集中，引起晶粒粗化 [4]。
保护气体（氩气）的合理使用是避免焊接氧化的关键，试验表明，当氩气流量 30L/min 时，焊缝正面呈银白色（轻微氧化），背面无氧化痕迹；流量不足时，焊缝表面出现蓝紫色氧化膜，导致硬度异常升高（较母材高 30%）[4]。此外，聚焦距离控制在 0mm 时，可获得最大熔深与最窄热影响区（宽度约 0.5mm）。
4.2 焊接接头的组织与性能
激光焊接接头的组织呈现明显梯度变化：母材为均匀细小的等轴 α 晶粒（尺寸 5~10μm）；热影响区因加热温度不同形成过渡组织，晶粒略有长大；焊缝区则为粗大的柱状 α 晶粒与针状 α 相，这是由于焊接过程中高温（＞1668℃）导致 β 相快速长大，冷却时发生 β→α 相变 [4]。
力学性能测试显示，焊接接头的抗拉强度（309.7~312.4MPa）高于母材（约 300MPa），断后伸长率平均 16.45%，断裂位置均位于母材区域，表明焊缝强度优于母材。显微硬度分布呈现 “焊缝＞热影响区＞母材” 的规律，焊缝最高硬度达 220HV，母材约 160HV，这与焊缝区的晶粒细化与固溶强化有关 [4]。
5、总结
本文系统整合了钛合金板材制备与性能调控的核心研究成果，主要结论如下：
热轧氧化行为：TC4 钛合金因 V₂O₅挥发形成多孔氧化皮，富氧层厚度（60μm）显著大于 TA1（5μm），氧的间隙固溶导致硬化层与富氧层厚度匹配，TC4 的表面硬度提升 21.94%~176.79%。
TA10 热处理工艺：700~750℃×30~60min 退火可实现完全再结晶，等轴 α 相使断后伸长率达 28%~29.5%，满足爆炸复合对塑性的要求，抗拉强度稳定在 560MPa 左右。
中厚板组织调控：通过轧制与热处理可实现四种典型组织，等轴组织适用于强塑性平衡场景，全片层组织断裂韧性最优；残余应力与翘曲度可通过蠕变矫形与振动时效有效控制。
激光焊接特性：工业纯钛在 30L/min 氩气保护下，采用 3.0kW 功率与 0.05m/s 速度焊接，接头抗拉强度达 312MPa，焊缝硬度高于母材但塑性未明显下降。
未来研究应聚焦于：开发低氧渗透轧制工艺以减少富氧层影响；优化中厚板残余应力调控技术；探索激光焊接与热处理的联合工艺，进一步提升接头综合性能。
参考文献
[1] 崔岩，孙新军，董常青，等. TA1 纯钛和 TC4 钛合金板热轧过程中表面氧化和渗氧行为 [J]. 热加工工艺，2022, 51 (3): 13-16.
[2] 葛伟，邓宁嘉，丁春聪，等. TA10 钛合金板材的热处理工艺研究 [J]. 钛工业进展，2015, 32 (4): 26-29.
[3] 张智鑫，唐斌，李瑞锋，等。钛合金板材制备技术的现状及展望 (下)—— 中厚板制备技术 [J]. 航空制造技术，2023, 66 (16): 14-28.
[4] 倪聪，石岩，陈俊科，等。工业纯钛板激光焊接工艺研究 [J]. 应用激光，2015, 35 (2): 212-215.
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