TC4钛合金作为一种典型的 α+β 两相钛合金，凭借其优异的比强度、耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、医疗器械、农业机械等领域得到了广泛应用。然而，其表面粗糙度控制困难、耐磨性较差以及大型构件成形工艺复杂等问题，限制了其在高要求工况下的进一步应用。本文基于四篇相关研究论文，系统梳理TC4钛合金的表面改性技术（激光抛光、涂层制备）、大规格环件成形工艺及其摩擦磨损性能的核心数据与机理，为该材料的工程应用提供全面参考。
当前针对TC4钛合金的研究主要集中于表面性能优化与成形工艺创新两大方向。表面改性方面，激光抛光技术通过控制氛围与参数可显著降低粗糙度并提高硬度，不同涂层处理则能针对性改善摩擦磨损特性；成形工艺方面，挤 - 辗复合技术突破了传统锻造的局限，实现了大规格环件的高效低成本制造。这些研究为解决TC4钛合金的实际应用瓶颈提供了多元技术路径。
永益钛将从材料特性出发，依次阐述激光抛光、涂层处理等表面改性技术的工艺参数与性能影响，分析大规格环件挤 - 辗复合成形的关键工艺与优势，通过对比不同处理方式下的摩擦磨损数据揭示其作用机理，最终总结现有研究成果并指出未来发展方向，为TC4钛合金的工程应用与技术优化提供系统性参考。
1、TC4钛合金的材料特性与应用背景
1.1 材料成分与基础性能
TC4钛合金（Ti-6Al-4V）是一种典型的两相钛合金，其化学成分为：Al 含量 5.50%~6.75%、V 含量 3.50%~4.50%，其余为 Ti，同时含有少量杂质元素（Fe≤0.30%、C≤0.08%、N≤0.05%、H≤0.015%、O≤0.20%）[1][2][4]。在铸造状态下，其显微组织由 α 相和 β 相组成，室温下的硬度约为 335 HV，抗拉强度可达 895 MPa，伸长率 10% 以上，兼具较高的强度与塑性 [2][4]。
该合金的突出优势在于比强度高（强度与密度之比），在 300~400℃范围内仍能保持良好的力学性能，400℃时的抗拉强度可达 615 MPa 以上，持久寿命超过 100 小时 [2]。此外，其优异的耐腐蚀性使其在含砂石水流、化工介质等恶劣环境中表现稳定，被广泛应用于离心泵叶轮、航空发动机机匣、钛合金紧固件等关键构件 [1][2][4]。
1.2 应用领域与技术挑战
在农业机械领域，TC4钛合金离心泵叶轮需承受砂石颗粒的持续冲刷，叶片表面的高粗糙度会加剧磨损，导致泵效率下降和寿命缩短 [1][3]。传统机械抛光不仅对工人熟练度要求高，且易造成薄壁构件的变形损伤，而激光抛光作为非接触式加工技术，可精准控制表面质量 [1]。
航空航天领域中，大规格TC4环件（如发动机机匣）的传统成形工艺存在材料利用率低（仅 3%~5%）、锻造火次多、坯料一致性差等问题 [2]。挤 - 辗复合成形技术通过 “反挤压冲孔制坯 - 厚壁管挤压 - 辗环” 的流程，实现了一次大变形加工，大幅降低了制造成本 [2]。
在摩擦学应用中，TC4钛合金的固有缺陷表现为摩擦系数不稳定（约 0.46）、易发生黏着磨损，尤其在紧固件装配过程中易出现 “咬死” 现象 [4]。通过表面涂层（如脉冲阳极氧化膜、MoS₂涂层）可有效改善其减摩耐磨性能 [4]。
2、TC4钛合金表面改性技术研究
2.1 激光抛光技术及氛围影响
2.1.1 工艺参数与抛光效果
激光抛光作为一种高精度表面处理技术，其效果与激光参数（功率、脉宽、扫描速度等）及环境氛围密切相关。研究表明，采用纳秒脉冲激光器（波长 1064 nm，光斑直径 30 μm）对铣削后高粗糙度（Sa=6.59 μm）的TC4表面进行处理时，扫描路径为 “Z” 字形，脉宽 500 ns，重复频率 1000 Hz，扫描速度 150 mm/s 的参数组合可获得最优效果 [1][3]。
在氩气氛围下，当激光功率为 12 W 时，表面算术平均高度（Sa）降至 2.94 μm，较原始表面下降 56.12%；而在空气氛围下，相同功率下 Sa 为 3.17 μm，下降 51.89%[1][3]。这是由于氩气作为惰性气体可减少氧化干扰，熔池在表面张力与重力作用下更易实现高低区域的材料重分配，使浅谷平滑、深谷填充 [1]。
2.1.2 表面硬度与微观组织演变
激光抛光过程中的快速加热与冷却会引发TC4表面的相变与组织细化。在氩气氛围中，重熔层的 α+β 相转变为硬度更高的 α′-Ti 马氏体，当功率为 14 W 时，表面硬度达到 434.5 HV，较原始表面提升 21.94%[1][3]。XRD 分析显示，氩气环境下 β 相衍射峰消失，形成单一的 α/α′-Ti 衍射峰，截面微观结构呈现针状马氏体形态，冷却速度可达 10⁻⁶~10⁻³ K/s，晶粒细化进一步强化硬度 [1]。
空气氛围下，激光抛光伴随氮化反应，重熔层生成高硬度的 TiN（2609 HV）与 α′-Ti 马氏体复合结构，14 W 时表面硬度飙升至 985.1 HV，提升幅度达 176.79%[1][3]。XRD 检测到立方晶格 TiN 与六方晶格 TiN₀.₃的衍射峰，EDS 分析显示表面氮元素质量分数达 12%，并随熔池对流扩散 [1]。但需注意，空气氛围下快速冷却易导致表面裂纹，需通过参数优化缓解 [1]。
2.2 表面涂层技术及摩擦学性能
2.2.1 涂层类型与制备工艺
针对TC4钛合金的摩擦磨损问题，四种典型表面处理技术的对比研究显示：
未处理（LT）：表面粗糙度 Sa=0.2695 μm，无保护层 [4]；
脉冲阳极氧化（PA）：在硫酸 - 磷酸混酸中处理 20 min，形成 5~6.5 μm 厚的 TiO₂涂层，Sa=0.5635 μm [4]；
脉冲阳极氧化 + 涂铝（PA-Al）：阳极氧化后手工喷涂铝层，Sa=0.6933 μm [4]；
脉冲阳极氧化 + MoS₂（PA-MoS₂）：复合处理后 Sa=0.9515 μm，形成固体润滑膜 [4]。
2.2.2 摩擦因数与磨损率对比
在 1 N 和 4 N 载荷下的摩擦磨损试验表明，不同涂层的性能差异显著：
LT 样品：平均摩擦因数 0.53，磨痕最宽且深，磨损率较高，主要为犁削与黏着磨损 [4]；
PA 样品：摩擦因数最低（0.16），磨损率最小（1 N 时 5.8×10⁻⁴ mm³/(N・m)），TiO₂涂层的高硬度与低摩擦特性使其耐磨性最佳 [4]；
PA-MoS₂样品：摩擦因数 0.25，得益于 MoS₂的润滑作用，但高载荷下磨损率增幅大（4 N 时 35.2×10⁻⁴ mm³/(N・m)）[4]；
PA-Al 样品：摩擦因数最高（0.58），Al₂O₃脆性导致剥落磨损，磨损率最高 [4]。
磨损机理分析显示，PA 涂层通过致密氧化膜阻隔黏着，PA-MoS₂依赖润滑膜减摩，而 PA-Al 因脆性相存在加剧磨损，LT 则因直接接触引发严重黏着 [4]。
3、TC4钛合金大规格环件成形工艺
3.1 挤 - 辗复合成形技术路线
为解决传统锻造工艺的缺陷，“铸锭反挤压冲孔制坯 - 大口径厚壁管挤压 - 辗环成形” 技术路线被提出。该工艺依托 1.5 万吨制坯机与 3.6 万吨垂直挤压机，通过三向压应力一次大变形实现组织均匀化 [2]。
具体流程包括：
铸锭预处理：锯切冒口后涂敷防氧化涂料，采用 “包套 + 保温垫块” 包覆技术，在 β 区（1170℃）加热 [2]；
闭式镦粗与冲孔：1.5 万吨压机将加热后的铸锭镦粗，再通过冲孔杆完成切底冲孔，获得空心管坯 [2]；
垂直挤压：3.6 万吨压机将管坯加热至 950℃，以 20~30 mm/s 速度挤压成 Φ520×Φ260 mm 厚壁管 [2]；
辗环成形：管材锯切后在 950℃下经两火次辗环，最终得到 Φ1050×46.5×140 mm 机匣环件 [2]。
3.2 成形质量与性能验证
试制环件的各项指标均满足 GJB 2220A-2018 标准：
化学成分：Al=6.36%，V=4.18%，杂质元素符合要求 [2]；
力学性能：室温抗拉强度 993~1009 MPa，400℃高温抗拉强度 667~707 MPa，持久寿命超 100 小时 [2]；
组织质量：低倍组织无裂纹、夹杂，显微组织为 1~5 级，晶粒均匀细化 [2]。
该工艺的优势在于：材料利用率提升至 30% 以上，锻造火次从传统的 3 次减至 1 次，且通过 “近等温镦粗” 避免了表面褶皱与裂纹 [2]。
4、摩擦磨损性能对比与机理分析
4.1 激光抛光表面的磨损行为
摩擦磨损试验（对磨件为 GCr15 陶瓷球，载荷 450 g，时间 20 min）显示：
原始表面（S0）：平均动摩擦系数 0.46，磨痕宽度 1045 μm，以磨粒磨损为主，表现为犁沟与二次磨损 [1][3]；
氩气抛光（S1）：摩擦系数降至 0.44，磨痕宽度 932 μm，α′-Ti 马氏体的高硬度减少犁削，仍以磨粒磨损为主 [1][3]；
空气抛光（S2）：摩擦系数骤降至 0.16，磨痕宽度显著减小，TiN 层的高硬度使磨损机制转变为黏着磨损，瞬时高温导致黏结点撕裂 [1][3]。
机理分析表明，氩气氛围通过提高硬度改善耐磨性，而空气氛围通过 TiN 的低摩擦特性实现减摩，二者分别适用于低载荷磨粒磨损与高载荷黏着磨损场景 [1][3]。
4.2 不同工艺的性能适配性
综合四类技术的核心数据，可得出如下应用建议：
离心泵叶轮：优先选择空气氛围激光抛光，TiN 层可降低摩擦系数至 0.16，显著抵抗砂石磨损 [1][3]；
航空发动机机匣：采用挤 - 辗复合成形，确保 400℃高温下的强度与组织稳定性 [2]；
紧固件：脉冲阳极氧化（PA）处理最优，摩擦系数 0.16 且抗黏着，避免装配 “咬死”[4]；
润滑需求场景：PA-MoS₂涂层在低载荷下表现优异，摩擦系数 0.25，适合微动摩擦工况 [4]。
5、总结
本文系统综述了TC4钛合金的表面改性、成形工艺及摩擦磨损性能研究，核心结论如下：
激光抛光技术：氩气氛围可获得更低粗糙度（Sa=2.94 μm，下降 56.12%），空气氛围则显著提高硬度（985.1 HV，提升 176.79%），TiN 与 α′-Ti 的复合结构是耐磨性提升的关键 [1][3]。
涂层技术：脉冲阳极氧化（PA）的 TiO₂涂层综合性能最优，摩擦系数 0.16，磨损率最低；PA-MoS₂适合低载荷润滑场景，而 PA-Al 因脆性不推荐高应力应用 [4]。
成形工艺：挤 - 辗复合技术实现大规格环件的高效制造，材料利用率提升至 30% 以上，力学性能满足航空标准，为大型构件生产提供新路径 [2]。
性能适配：不同工艺各有侧重，激光抛光适用于表面精度与耐磨性要求高的构件，涂层技术适合紧固件等小尺寸零件，成形工艺则针对大型环件制造。
未来研究可聚焦于激光抛光裂纹控制、涂层与基体结合强度优化及成形工艺的数值模拟，进一步拓展TC4钛合金的工程应用边界。
参考文献
[1] 戴峰泽，安春桥，霍坤，等。激光抛光TC4钛合金高粗糙度表面及表面耐磨损行为 [J]. 排灌机械工程学报，2025, 43 (3): 291-298.
[2] 陈献刚，秦瑞廷，刘正伟，等.TC4钛合金大规格环件挤 - 辗复合成形工艺 [J]. 锻压技术，2025, 50 (3): 225-230.
[3] 戴峰泽，安春桥，霍坤，等。激光抛光TC4钛合金高粗糙度表面及表面耐磨损行为 [J]. 排灌机械工程学报，2025, 43 (3): 291-298.
[4] 任小勇，刘凯学，李刚，等.TC4钛合金表面不同涂层的摩擦磨损性能 [J]. 中国表面工程，2024.
yongyiti.com
永益钛手机网
