TC4钛合金

TC4概述
TC4合金是一种中等强度的 α-β 型两相钛合金，含有6% α 稳定元素AI和4% β 稳定元素V。该合金具有优异的综合性能，在航空和航天工业中获得了较广泛的应用。合金长时间工作温度可达400℃，在航空工业中主要用于制造发动机的风扇和压气机盘及叶片，以及飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件。

TC4钛合金的主要半成品是棒材、锻件、厚板、薄板、型材和丝材等。合金主要在退火状态下使用，也可以采用固溶时效处理进行一定的强化，然而淬透截面一般不**过25mm。

该合金具有良好的工艺塑性和**塑性，适合于各种压力加工成形。该合金还可采用各种方式进行焊接和机械加工。

TC4技术标准

TC4化学成分

TC4热处理制度
1）退火

板材：700-850℃，0.5-2h，空冷；棒材和锻件：700-800℃，1-2h，空冷。

2）真空退火

700-800℃，0.5-2h，炉冷至200°C以下允许出炉空冷。炉内**压强应不大于0.09Pa。

3）固溶处理

910-940℃，0.5-2h，水淬。

4）时效

520-550°C，2-4h，空冷。

5）去应力退火

完全去应力退火：600-650℃，1-4h,空冷；不完全去应力退火：500-600℃，0.5-3h，空冷。去应力退火可以在空气炉或真空炉中进行。

TC4熔炼与铸造工艺
铸锭应该经过两次以上真空自耗电极电弧炉熔炼。发动机转子零件用料应经过三次熔炼。合金元素V以A1-V中间合金方式加入。自耗电极的焊接严禁使用钨极氩弧焊，采用氩气保护等离子焊接方法。

TC4应用概况
TC4钛合金在国内是20世纪60年代初期开始研制生产的，现已广泛用于制造航空发动机风扇和压气机的盘与叶片，以及飞机结构中的各种承力梁、框、接头和紧固件等。

TC4特殊要求
1）初生α相数量

TC4合金的力学性能与初生 α 相数量和形态有密切关系，一般讲，初生 α 相含量越多，室温拉伸塑性和疲劳性能越好；初生 α 相数量越少，则高温持久、蠕变和断裂韧度越好。为了获得优异的综合性能，初生 α 相含量通常希望控制在15%-50%范围内。如果初生 α 相含量**过这个范围，允许在正常退火之前增加一次高温固溶处理，即在 β 转变温度以下30-60℃保温lh，随后空冷或水冷。当初生 α 相含量过少时，只能通过在两相区的重新热变形来提高初生 α 相含量。

2）氧含量影响

随着氧含量的增加，TC4合金的抗拉强度明显提高，拉伸塑性和断裂韧度急剧下降。氧含量过高还会导至焊接性能变差。因此，在保证强度水平的前提下，应将氧含量控制在较低的范围内。特别是用于低温下工作的各种容器，应该选用w(o)≤0.13%的TC4合金材料。


3）接触腐蚀

当TC4钛合金零件与铝合金和结构钢零件接触时，特别是在一定的腐蚀介质条件下，铝合金和结构钢零件由于电极电位较负，作为接触偶的阳极，会遭受加速腐蚀和破坏。因此，在TC4钛合金零件与铝合金或结构钢零件之间，应采取加垫防接触腐蚀胶布等防护措施。TC4合金零件严禁与铅、锌、镉、锡、银、铋等金属的零件或工具接触。

4）微动腐蚀破坏

TC4合金由于耐磨性较差，当零件发生微动磨蚀时，会引起疲劳强度的 迅速下降。为减少微动磨蚀，在TC4合金零件与其他金属零件的配合面之间，应涂润滑脂、油漆，或将 TC4合金零件表面进行阳极化处理。

为确保TC4合金零件在使用过程中的可靠性，对于制造压气机盘、叶片和飞机结构件用的棒材、锻坯、自由锻件和模锻件，必须进行超声探伤。航空发动机用模锻件探伤，一般采用平底孔直径为0.8mm的标准样块；飞机结构用模锻件探伤，一般采用平底孔直径为1.2mm的标准样块。

TC4抗氧化性能
TC4钛合金在430℃以下长时间加热，形成很薄而且具有保护性的氧化膜。随着加热温度的升高，氧化膜增厚，同时其保护性变差。合金在700°C加热2h后，氧化膜厚度达到 25μrn。在800℃以上的温度加热形成疏的氧化层。在1000℃加热1h后，氧化层的厚度达到0.65mm。

TC4焊接性能
1）TC4合金可用氩弧焊、点焊、钎焊、电子束焊和等离子焊等多种方式进行焊接。焊接接头的强度与基体金属基本相当。

2）TC4合金焊接后在550-650℃进行去应力退火，可以消除70%-80%的焊接应力。板材零件焊接后的去应力退火，较好在真空炉或保护气氛炉中进行。

3）TC4合金具有良好的扩散连接特性。连接过程全部在真空中完成。典型的扩散连接工艺参数：加热温度为820-1040℃，加压压力为35-70MPa，保持时间为0.5-6h。

零件热处理工艺
1）半成品或零件退火时，保温时间取决于截面厚度。截面厚度小于或等于10mm时，保温时间不**过30min;11-50mm时为30-60min;大于50mm时为1-2h。

2）零件热处理选用各种型式的电炉，处理前必须彻底清扫炉膛。采用煤气或油炉加热时，必须对炉内气氛进行严格控制，使其保持微氧化气氛，还要注意勿使燃烧喷嘴直接喷向零件。

3）真空退火前应清除零件表面的氧化皮和富氧层，入炉前还要认真除油。复杂形状的零件真空退火时必须采用夹具固定，以减少零件变形。入炉零件较好用预先除气的无氧化钛屑填满，以防止零件氧化。

表面处理工艺
1）为提高钛合金零件的疲劳强度可进行表面喷丸处理。一般采用直径为2-5mm的钢丸，能产生大约785MPa的表面压应力，表面强化深度约为200μm。喷丸强化可显著提高TC4合金的疲劳强度。

2）为改善TC4钛合金的耐磨性能，在零件的易磨损部位，例如风扇叶片的阻尼台侧面，采用等离子或爆炸喷涂方法喷涂碳化钨、碳化铬等难熔质点涂层。这种方法还可用于钛合金零件已磨损部位的修补。

3）为避免钛合金零件在工作中发生擦伤和粘结，在有磨擦接触和螺纹组合的零件上，应进行阳极化、镀铬、化学镀镍或渗氮处理。

切削加工与磨削性能
1） TC4合金由于导热性差、化学活性高，切削加工时刀尖处温度升高较快，容易造成刀具磨损，应注意合理选择刀具材料和加工工艺参数。采用氯化冷却液可延长刀具寿命，改善加工表面质量。

2）铣削加工推荐采用高速钢和硬质合金螺旋立铣刀。硬质合金刀具材料应选用碳化钨类，不要选用碳化钛类。TC4合金钴深孔时难度较大，应针对被加工零件设计**钻头，选择较大的**角。当钻头直径大于6mm时，为便于排屑，应在切削刃部开分肩槽。

3） TC4合金磨削时容易产生烧伤、波纹及变形。建议选用绿色碳化硅磨轮，这种磨料与刚玉及其混合磨料比较，磨削性能好、金属去除量大、功率消耗小。采用中等疏松磨轮，有利于降低磨削区温度。磨削液较好选用水剂切削液。

TC4使用建议
建议选用TC4钛合金制造飞机机身、机翼结构中的各种梁、接头、隔框和航空发动机风扇及压气机中的盘件、叶片。用TC4钛合金代替30CrMnSiA等结构钢，可以实现减轻零件重量约30%。

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