鈦合金因其密度低、耐腐蝕、力學性能優異以及良好的生物相容性[1-2]等特點，被廣泛應用于航空航天、武器制造、生物醫療、運動、船舶等領域[3-5]。Ti-6Al-4V 鈦合金作為一種典型的 Ti-Al-V 系馬氏體（α+β）雙相鈦合金（國內鈦合金標號：TC4），憑借其良好的力學性能以及耐腐蝕性在航天、化工等眾多領域得到廣泛應用，其用量占據鈦合金總應用量一半以上[7-8]，熱處理是調控材料宏觀力學性能的最高效且典型的手段之一。研究人員通常通過科學的控制退火溫度、保溫時間、冷卻方式等技術指標，來調控材料的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能，從而優化材料性能。在熱處理過程中，溫度是驅動合金發生同素異構的轉變的主要因素、時間控制著轉變的程度、而冷卻方式決定著轉變產物的均勻性。

退火是最常見的鈦及其合金的非強化熱處理方式，按退火溫度區分可劃分為：去應力退火、（α + β）兩相區退火、β 區退火。退火的主要目的是消除材料內部殘余應力、并通過相變的進行獲得穩定的組織及均衡的綜合性能。而固溶+時效處理作為一種強化熱處理，則是通過在中間溫度分解高溫下快速冷卻得到的非穩定組織，從而強化合金某些特定性能。

近些年來，隨著傳統熱處理工藝的成熟以及材料加工行業的迅速發展，將傳統熱處理工藝與能量場、元素添加、材料加工及理論計算相結合的新型熱處理技術也應運而生。例如，在熱處理的同時，利用磁場或電場促進再結晶過程進行的場輔助熱處理；通過充氫、熱處理、析氫的過程細化鈦合金組織結構的元素添加型熱處理等，均是目前鈦及其合金熱處理研究相關的熱點。

此前，關于通過熱處理改善 Ti-6Al-4V 鈦合金組織結構和力學性能的研究已較為豐富，但相關綜述文章較少，且對集中于傳統熱處理方式。本文將對前人有關 Ti-6Al-4V 鈦合金的熱處理工藝的探索進行總結和系統論述，在分析不同熱處理工藝及其參數（如溫度、時間）對微觀組織演變與力學性能影響關系的同時，針對熱處理工藝研發模式的數字化、智能化及應用場景的拓展與深化兩大趨勢進行展望，以期能對 Ti-6Al-4V 鈦合金后續的應用以及熱處理工藝參數的設定提供理論依據。

1、Ti-6Al-4V鈦合金熱處理工藝

1.1退火

退火工藝是最傳統的鈦合金熱處理方式之一[8]，屬于非強化熱處理工藝[9]，其機理是通過加熱驅動晶體結構回復、再結晶及平衡相組成，以消除合金內部在材料加工過程積蓄的內應力，并通過調控相組成及形態，、提高材料的均勻性、塑性及穩定性。按照退火溫度范圍分類，可以將Ti-6Al-4V鈦合金的退火工藝劃分為去應力退火、(α+β)兩相區退火(再結晶退火)、β區退火。

去應力退火主要應用于消除機械切削、沖壓、焊接等加工形式引入的內應力。通常在480℃~650℃進行，此溫度區間低于Ti-6Al-4V鈦合金的再結晶溫度，因此在去應力退火過程中材料內部原子發生遷移、位錯發生運動，使晶體缺陷發生重組和湮滅，前序加工積累的彈性應變能得到釋放，從而在不改變材料原始組織性能的前提下，降低或消除內應力。

兩相區退火主要用于提高材料塑性以及韌性，通常在再結晶溫度以上80-100℃與β轉變溫度(Tβ)以下30-50℃之間的溫度區間進行，在此過程中，經過加工產生的變形組織發生回復，畸變晶粒逐漸向無畸變的新晶粒轉變，并伴隨晶粒長大。

β區退火通常在T β 以上30-50℃進行，可使材料的抗蠕變能力相較于兩相區退火進一步提高，但強度和塑性通常有所下降。此時Ti-6Al-4V鈦合金進入全β相態，在后續冷卻過程中，β相中會析出α相，呈集束狀片層結構，即網籃狀組織或魏氏組織。粗大的片狀組織結構可有效阻礙裂紋的擴展，使材料的斷裂韌性提高，且片狀組織在高溫下有良好的穩定性。

1.2固溶處理與時效處理

固溶處理與時效處理通常組合應用于鈦合金的熱處理中[11]，是一種典型的強化熱處理[8]。

對于Ti-6Al-4V鈦合金這種(α+β)雙相鈦合金而言，固溶處理通常在兩相區溫度(推薦890℃~970℃)進行，目的是使合金元素能夠充分、均勻地溶解在基體當中，促進組織的均勻化轉變，固溶處理通常通過快速冷卻的方式使高溫下固溶體的均勻狀態能夠在室溫下保留。

時效處理通常在480℃~600℃之間進行，此過程能夠促進合金中部分元素的析出。

2、傳統熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

2.1傳統熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金組織的影響

溫度是驅動同素異構的轉變的主要因素[6]，掌握合金在不同溫度下微觀組織的變化規律，對于提高熱處理加工的效率和科學性至關重要。通常，Ti-6Al-4V鈦合金的再結晶溫度和β轉變溫度是劃分組織轉變行為的重要分界線。本章節將從溫度角度分析熱處理過程中合金的組織演變。

2.1.1退火對Ti-6Al-4V鈦合金組織的影響

當退火溫度低于再結晶溫度時，材料內部基本不發生再結晶，主要的微觀運動形式是原子遷移、位錯運動和晶體缺陷的重組與湮滅。由于去應力退火通常在再結晶溫度以下進行，故對合金開展去應力退火不會造成組織的明顯變化。

在去應力退火對Ti-6Al-4V鈦合金微觀組織演變的相關研究中，陳佳慶[12]指出，去應力退火對微觀組織的影響不大，僅有部分α ′相會發生輕微溶解，其余組織未發生明顯變化。進一步研究顯示，即使在多次去應力退火下，組織結構的轉變依然微弱，蔡美超[13]在對Ti-6Al-4VELI鈦合金多重去應力退火的研究中發現，在三重去應力退火下，相組成、相比例以及平均晶粒尺寸與原始退火態顯微組織基本一致,僅次生α相會由片層狀向等軸狀轉變。

進一步升高溫度，溫度達到再結晶溫度并低于β轉變溫度時，合金微觀組織發生再結晶行為，具體表現為:變形組織逐步回復，畸形的晶粒逐漸向無畸變的新晶粒轉變，并有長大的趨勢。故對合金材料開展兩相區退火能夠改善微觀組織的α相和β相兩相比例、優化晶粒尺寸以及晶粒比例，但退火溫度過高會導致晶粒過度粗化。

在兩相區退火相關研究中，周茂華[14]對Ti-6Al-4V鈦合金板材在進行720-850℃之間退火，與原始組織相比，720℃-780℃之間的退火僅發生了回復行為，再結晶行為不明顯，當溫度上升至800℃時，逐漸出現等軸初生a相+轉變β相組織。王慶娟[15]對航空發動機Ti-6Al-4V鈦合金葉片進行退火處理研究中也得到了類似的結論，當葉片在600-850℃之間進行退火時，發現隨著退火溫度上升，晶粒逐漸恢復至等軸態。孫皓[6]進一步指出，溫度驅動再結晶過程的進行，溫度越高發生再結晶的晶粒越多。

退火溫度高于β轉變溫度的退火工藝被稱為β退火，此時 Ti-6Al-4V鈦合金進入全β相態，在后續冷卻過程中，β相中會析出α相，呈集束狀片層結構，形成網籃狀組織或魏氏組織。

黃正陽[16]對熱軋態Ti-6Al-4V鈦合金兩相區退火和β退火工藝下的微觀組織進行對比，指出:與兩相區退火形成的以等軸α相+晶間β相不同，β退火組織主要由針狀馬氏體α'與亞穩態β相構成，呈現網籃狀組織。譚海波[17]在研究β退火溫度對Ti-6Al-4V鈦合金組織的影響時指出，溫度是驅動晶粒尺寸長大的動力，并將β退火過程中β相晶粒長大總結為再結晶形核階段和粗化兩個階段。再結晶形核階段指退火過程中，殘留β相或晶界處會率先形成晶核，并隨著a相的溶解占據位置，形成完整的β晶粒;粗化階段指隨著溫度升高，原子擴散能力變快，驅動β相晶粒的長大。

2.1.2固溶時效處理對Ti-6Al-4V鈦合金組織的影響

Ti-6Al-4V鈦合金的固溶處理在兩相區進行，并采用水淬，此工藝可在保留初生α相的同時，令高溫β相以過飽和形式保存到常溫，最終獲得等軸α相、過飽和的β相以及α'馬氏體組織。時效處理則是將水淬后的得到的亞穩相(過飽和的β相以及α'馬氏體)在中等溫度下分解成彌散的次生a相和β相。

王悔改[18]在對Ti-6Al-4V鈦合金熱處理工藝的研究中指出，經過固溶淬火后合金的顯微組織主要由等軸化的α相、片層狀次生α相、以及晶界不完整的β相組成，而時效處理能夠使亞穩態的β相以及次生a相發生分解，恢復合金晶界的完整性和組織均勻性。李強[19]在對Ti-6Al-4V鈦合金固溶溫度對組織的影響相關研究中指出，隨著固溶溫度的升高，合金中等軸a相數量減少并部分轉化為β相，在常溫下以殘余β相轉變基體的形式存在，而等軸a相平均尺寸變化不大。此外，李強發現時效處理后，合金中等軸a相的尺寸和含量未發生明顯改變，但β轉變基體上析出了次生片層狀α相，且隨著時效處理溫度的提高，片層狀α相尺寸也有所上升。

2.2傳統熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金力學性能的影響

熱處理溫度決定了微觀組織的轉變，而微觀組織的轉變又會影響宏觀力學性能。因此，構建熱處理溫度、微觀組織與宏觀力學性能之間的關聯，總結普遍適用性規律，對材料熱處理方法的研究具有極其重要的意義。Ti-6Al-4V鈦合金作為一種雙相鈦合金，其兩相比例、晶體形貌、粒徑等因素共同影響其宏觀力學性能。

2.2.1退火對Ti-6Al-4V鈦合金力學性能的影響

如前所述，Ti-6Al-4V鈦合金的退火工藝可以根據再結晶溫度和β轉變溫度劃分為:去應力退火、兩相區退火以及β區退火。

在退火溫度低于再結晶溫度時，由于微觀組織形貌變化不大，僅有少量a'相會發生輕微溶解。由于a'相是強化相，且去應力退火能夠有效較少位錯，減少晶體缺陷。因此，經過去應力退火的Ti-6Al-4V鈦合金相較于未退火狀態，強度會發生輕微的降低，硬度輕微上升。

陳佳慶[12]在研究去應力退火對 Ti-6Al-4V鈦合金 K-TIG焊縫接頭組織以及性能的研究中發現，去應力退火使熔合區(FZ)和熱影響區(HAZ)的微小的α ′相溶解，提高了組織均勻性，從而使接頭顯微硬度上升，且不同區域內顯微硬度的均勻性也有所改善。在強度方面，由于去應力退火后位錯密度的減小及合金均勻化程度的提高，接頭的強度略有下降，延伸率有10%左右的提高。

在兩相區溫度退火時，退火過程中會有再結晶行為的進行，畸變、無序的組織向有序、等軸的組織轉變。隨著再結晶過程的進行以及組織的形貌回復，材料的強度有所上升。

周茂華[14]對Ti-6Al-4V鈦合金的兩相區退火研究顯示，隨著溫度的升高，再結晶過程進行的同時，組織逐漸趨于等軸化，材料的抗拉強度和屈服強度均呈現上升的趨勢，并在達到一定溫度后趨于穩定。王慶娟[15]的研究中也指出，Ti-6Al-4V鈦合金在兩相區之間進行退火時，隨著溫度的上升，顯微硬度逐漸下降，這歸因于晶粒逐漸回復至等軸態。

當退火溫度高于β轉變溫度時，冷卻后形成的粗大的片狀組織結構可避免裂紋的擴展，提高材料的斷裂韌性。此外，片狀組織在高溫下有良好的穩定性，使材料擁有高于兩相區退火的抗蠕變性，但強度和塑性低于前者。

黃正陽[16]對 Ti-6Al-4V鈦合金分別開展兩相區退火及β退火進行比較,經過兩相區退火的試樣抗拉強度優于后者約100MPa，伸長率優于后者60%，而經過普通退火試樣的斷裂韌度僅為β退火的試樣的75%~80%。譚海波[17]進一步指出，β晶粒尺寸、α集束尺寸以及α片層厚度共同影響β退火后材料力學性能，隨著晶粒尺寸的增大，材料的強度指標先上升而后下降，而材料的塑性呈單調下降趨勢。

表 1 Ti-6Al-4V合金不同β溫度退火后的力學性能[17]

Table 1 Mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloyβ annealed at different temperatures

熱處理制度	Rm/MPa	Rp0.2/MPa	A/%	Z/%
(Tβ+10)℃x45 min,AC	934	865	9.5	19
(Tβ+20)℃x45 min,AC	945	891	10.5	19
(Tβ+30)℃x45 min,AC	935	892	9.0	18
(Tβ+40)℃x45 min,AC	929	874	8.0	17
(Tβ+50)℃x45 min,AC	903	848	7.5	20

2.2.2固溶時效處理對Ti-6Al-4V鈦合金力學性能的影響

王悔改[18]認為，在固溶淬火后，在室溫下以增強相存在的馬氏體a"相以及殘留的亞穩態β相有助于提高合金的強度以及硬度;而β相界的破壞以及等軸a相的扭曲會誘發材料的塑性損失。隨后的時效處理過程中，馬氏體a"相以及亞穩態β相的分解以及材料均勻性的改善使得材料的強度以及硬度進一步提高、材料的塑性有所回復，推動合金的綜合性能改善。

李強[19]指出，當選取可以獲得較多體積分數的β相的溫度作為固溶處理溫度時，能夠為后續時效處理析出強化相次生a相提供機會，并提出了固溶時效處理后，組織中a相的含量增高，合金強度減小，塑性增加的觀點，β相規律與之相反。

3、新型熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

近年來，隨著鈦合金應用的增加，研究人員們開發出了許多新型熱處理方式。例如，循環熱處理、場輔助熱處理、氫處理等。與傳統熱處理相比，這些新型熱處理通過引入物理場、化學元素以及熱循環過程改變合金的相變動力學，突破傳統工藝的性能極限，解決特殊場合的加工以及性能需求。

3.1循環熱處理工藝對 Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

循環熱處理是一種利用在兩相區或β區反復退火，通過晶粒不斷的分割和細化，最終同步優化材料的強度和塑性的新型熱處理方法，其最終組織為三態組織，由等軸a相、條狀a相以及轉變β相共同組成。通過不斷的相變，在舊的相界面上產生新的形核點，β晶粒或a片層集束尺寸能夠顯著細化。

何軍利[20]利針對優化魏氏體組織對 Ti-6Al-4V鈦合金進行循環退火，其工藝為在保證初次退火工藝不變的情況下改變第二次退火的溫度由800℃遞減至650℃，每組間隔50℃，循環9次。顯微觀察發現在循環過程中，魏氏體組織轉變為長條狀a相，且隨著二次退火溫度的降低，晶粒的長徑比逐漸減小，魏氏體組織形貌得到改善并且有等軸α相出現。陸瑩[21]對 Ti-6Al-4V鈦合金焊縫接頭位置進行循環退火，兩次退火均在兩相區進行，兩次退火分別采用水冷、空冷作為冷卻方式。其指出，初次熱處理的目的在于控制等軸a相的體積分數，二次熱處理的目的為控制條狀a相的長徑比以及體積分數。通過對此過程的多次循環后發現，隨著循環次數的增加，晶粒長徑比呈下降趨勢，這有助于在焊縫區以及熱影響區得到球狀組織，此現象對材料延展性的提升具有幫助，但循環次數過多會出現晶粒粗大的情況。宏觀力學性能上，循環熱處理工藝能夠使焊縫以及熱影響區附近的硬度更加接近母材，強度以及延伸率均有所提高，但循環次數過多會產生性能退化，這與晶粒粗大有關。

3.2場輔助熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

利用磁場或電場等外部物理場來影響熱處理過程也是近年來出現的一種熱處理方式。電場輔助熱處理又稱電塑加工，在加工過程中對材料通過高能電流，對材料進行刺激，這樣可使材料具有優異的力學性能[22-24]。此過程由焦爾效應與電致遷移效應兩種效應共同驅動，焦爾效應促進合金局部升溫;電致遷移效應以及電子風共同促進相變以及位錯滑移。磁場輔助熱處理是一種在傳統熱處理過程中施加磁場影響析出相動力學參數，改變原子擴散路徑、誘導相排列的一種熱處理方式。

許尚峰[22]對 Ti-6Al-4V鈦合金進行電場輔助熱處理，發現電場輔助熱處理能有效降低材料的相變溫度和再結晶溫度，與傳統工藝相比，再結晶溫度下降100℃左右。在熱效應(焦爾效應)和非熱效應(電致遷移效應)共同作用下,相變過程與等軸化過程同步進行的同時,位錯的均勻分布和擴散也在發生,使得材料的延展性提升近一倍。

近年來，研究人員將目光投入利用場輔助熱處理與材料加工相結合的新型成型加工場景。江雙雙[23]等將電場輔助熱處理引入Ti-6Al-4V板材的滾彎成型工藝，其認為通過電場輔助熱處理對材料的局部升溫過程，能促進再結晶行為的進行，與相同狀態下的傳統熱處理工藝相比，電塑性效應能使合金板材具有較低的變形抗力;且經過電場輔助熱處理的板材在滾彎成型之后具有良好的表面質量和加工性能。梁杰24將電場輔助熱處理與車削加工Ti-6Al-4V鈦合金相結合，相較于一般車削過程，電場輔助熱處理為材料提供了動態再結晶過程，再結晶過程有效的減輕了加工硬化，表面粗糙度下降35.7%，疲勞壽命提高14.9倍。

李桂榮[25]團隊率先將脈沖強磁場應用于輔助固溶處理的Ti-6Al-4V鈦合金板材，通過調整磁感應強度B的不同，探索磁場對鈦合金微觀組織的影響。實驗結果表明，隨著磁感應強度的升高，合金中a相的比例逐漸上升，這表明磁場能夠促進β相向a相的轉變，并且由于磁致塑性效應以及位錯堆積效應的共同影響，經過磁場處理后的合金位錯密度增加，在提高材料強度的同時提高塑性。

3.3氫處理工藝對 Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

氫處理是一種將氫作為一種臨時元素，通過充氫、熱處理、析氫的過程細化鈦合金組織結構的處理方式，其主要機理是利用氫元素的添加降低合金的相變溫度，改變鈦合金兩相之間的比例以及生成動力學，最后通過真空除氫工藝使氫化物分解逸散，從而得到細化微觀組織，優化材料加工性能。

劉文富26對鈦合金的充氫-析氫過程進行研究指出，對 Ti-6Al-4V鈦合金添加一定量的氫元素能夠提高材料的拉伸強度及表面硬度，但過多的氫元素的添加會導致鈦原子晶格間隙減少、氫原子無法擴散，形成氫化物從而損失鈦合金的性能。析氫會進一步提高合金的力學性能，其原因在于氫化物分解時a相生成大量的位錯，從而導致材料性能與原材料相比兩倍表面硬度的提高。

4、總結與展望

Ti-6Al-4V鈦合金在長期的應用與實踐中已經擁有良好的傳統熱處理經驗，并在此基礎上開發出許多創新的熱處理工藝和路徑，例如，形變熱處理通過將熱加工與熱處理相結合，有效使材料的微觀結構得到細化。場輔助熱處理將熱處理與物理場相結合，在降低能耗的同時為控制相變的進行提拱了新的路徑。元素添加熱處理更是通過元素的添加與析出的方式控制合金中相的組成。這些由傳統熱處理方式與其他理論工藝的結合精確地善材料的微觀結構以及相的組成，從而達到預期的材料性能要求。

面向綠色與高質量發展的未來，未來的熱處理技術將呈現兩大趨勢:

1.基于多尺度計算材料學以及人工智能的模擬計算與預測，能夠轉變傳統熱處理實驗的“試錯法”實驗思路。構建熱處理工藝-組織結構-材料性能的數字化模型，能夠大幅度縮減試驗范圍，加快試驗進度，減少材料以及能源的消耗，實現熱處理工藝的綠色化、智能化制定。

2.面對增材制造等新型制造技術產生的非平衡組織，利用熱等靜壓和激光快速退火等熱處理技術具有巨大的潛力。然而，這些熱處理方式目前正處于實驗室階段以及小型化階段。如何將這些實驗室成果轉化為穩定、可靠的工業化生產工藝，并建立相應的質量控制標準，仍是當前面臨的核心挑戰與未來的研發重點。

綜上所述，今天對于Ti-6Al-4V鈦合金的傳統熱處理工藝已經趨于成熟及穩定，未來熱處理工藝的發展將沿著數字化、復合化以及定制化的道路持續發展，以滿足在高質量發展時代人們對材料性能的需求。

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（注，原文標題：熱處理對Ti-6Al-4V鈦合金微觀結構與力學行為影響的研究進展_楊復林）

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