鈦合金具有低密度、高比強度、耐蝕耐熱等諸多優點，在航空航天工業得到廣泛應用。然而，航空發動機工況復雜，工作時溫度可達600℃以上[1－3]，在這種高溫、長時工作的苛刻要求下，發動機工作的可靠性尤為重要。
鈦合金的使用溫度取決于其熱強性和熱穩定性，熱強保證其在高溫使用條件下不至于因強度失效而導致事故，熱穩定保證其在高溫條件下保持自身組織穩定，不至于因組織變化或析出第二相而使構件失效[4]。其中，熱穩定性是指合金在高溫暴露下能保持自身性能穩定的能力，通常用室溫拉伸性能和斷裂韌性來表征[6]，是衡量發動機工作可靠性的主要指標之一，與熱強性共同決定鈦合金的使用溫度。熱穩定性又包含組織穩定性和表面穩定性2方面。組織穩定性是指在使用過程中組織和結構不發生變化的傾向，一旦過飽和的α、β、α′等亞穩定相發生等溫分解，對熱穩定性的影響是不可預估的，故對高溫鈦合金熱穩定性的研究實際上是對其組織的研究。從現有研究來看，通過添加合金元素可以保證熱強性，但合金元素含量過多會增加第二相的析出趨勢，給熱穩定性帶來損害[5]。
為此，從合金元素和加工工藝2方面綜述了近些年來關于鈦合金組織熱穩定性的研究，以期為制備具有優良熱穩定性、熱強性和更高使用溫度的高溫鈦合金提供參考。
1、合金元素對熱穩定性的影響
純鈦具有優異的熱穩定性，但抗拉強度低是其固有短板，為了滿足實際生產中的各項要求，需要定量加入一些合金元素。依據對β相轉變溫度的影響，可將合金元素分為3類:α相穩定元素Al、B、C、O、N等，中性元素SN、Zr等，β相穩定元素MO、V、NB、Fe、Cr、Si等[7]。依據元素自身特性以及對合金性能的影響，目前已形成了近α型Ti-Al-Sn-Zr-MO-Si高溫鈦合金體系[8]。多元元素在協同改善鈦合金機械性能，使合金保持良好熱強性的同時，還可避免合金在長時間熱暴露下因析出物增多而引起的組織改變，即合金在滿足熱強性要求的同時還能夠保持一定的熱穩定性[9]。
1.1 α相穩定元素
在高溫鈦合金中，Al是不可或缺的合金元素，其作用有以下幾點:①提高鈦合金的室溫和高溫強度；②提高鈦合金的高溫抗氧化性能；③降低鈦合金的密度[7]。Al在鈦合金中的存在方式有2種，一種是以固溶方式存在，起到固溶強化的作用；另一種以析出物的形式存在，即α2有序相，α2相雖然能夠起到強化作用，但其尺寸、存在位置、分布情況會嚴重影響合金的熱穩定性[10]。為表征合金中α2相的析出傾向，ＲOseNBeｒg等[4]提出了鋁當量計算公式，具體如下:
[Al]當＝[Al]＋[SN]/3＋[Zr]/6＋[O＋2N＋C]×10或[Al]當＝[Al]＋[SN]/3＋[Zr]/6＋[Si]×4顯而易見，鋁當量越低，α2相析出傾向越低，合金的熱穩定性越好。一般控制[Al]當≤8％，使得合金中不會析出α2相，以保證熱穩定性滿足使用要求。
李東等[11－13]采用ΣNiｆiα表征各合金元素和熱穩定性的關系，其中Ni代表第i個元素的價電子數，ｆiα代表第i個元素在α相中的原子數分數。元素的電子濃度和Ti3Ｘ相界之間存在著一定的關系，在進行合金設計時，根據電子濃度、熱暴露時間、使用溫度確定平均電子濃度值Np，使ΣNiｆiα≤Np，便可以使合金在充分合金化保證強度的前提下，確保不析出Ti3Ｘ相以滿足熱穩定性的要求。
α2相通常在長期時效或熱暴露過程中析出[14]，其析出形式主要為共格析出，與基體存在一定的取向關系，目前發現的有(0001)α2∥(0001)α、<1120>α2∥(1120)α等[15]。Zhang等[16]在研究Ti-6-22-22合金熱穩定性時發現，經過三重熱處理后形成的細小α2相不會影響合金的力學性能，而粗大的α2相會造成力學性能嚴重下降。崔文芳等[17]在研究iMi834鈦合金的熱穩定性時發現，經過600℃/100ｈ熱暴露后，基體析出均勻彌散分布的α2相，平均尺寸約為8.8NM；當熱暴露溫度升高至750℃時，α2相尺寸大幅增加，合金伸長率由10.9％劇烈下降至6.7％，熱穩定性明顯降低。Ｌi等[18]在研究Al對Ta29鈦合金熱穩定性的影響時發現，熱暴露8ｈ后，能夠觀察到大量直徑<0.5NM的球形α2相，這些α2相以共格方式從基體中析出；隨著熱暴露時間的延長，α2相發生粗化，100ｈ后α2相長大至8NM，500ｈ后形狀過渡為紡錘狀，此時合金雖然保持了一定的塑性，但斷裂韌性顯著降低。
α2相的析出行為也受到其他元素的協同影響。Ｘｕ等[19]在研究Ｗ元素對Ti-6.5Al-2SN-4Hf-2NB合金影響時發現，熱暴露過程中Ｗ會影響α相與β相中元素的再分配。隨著熱暴露時間的延長，Ｗ在β相中富集，同時使NB在α相中富集，α相中NB元素的增多使得晶格畸變程度增加，抑制了α2相的析出，減緩了有序化進程。另外，Ｗ還能細化α2沉淀相，添加4％的Ｗ可使α2沉淀相長軸方向由33NM降低至21NM，短軸方向由20NM降低至14NM，從而減小α2相對合金塑性的影響，使合金的熱穩定性提升。張尚洲等[20]研究發現
，高溫鈦合金中加入C元素時會形成樹枝狀的Ti3AlC、Ti3C或有序Ti2C碳化物，碳化物的存在減緩了熱暴露過程中α2相的形成，提高了鈦合金的熱穩定性。另外，C元素的加入擴大了兩相區溫度范圍[21]，使得合金在α＋β兩相區熱處理時Al元素的偏析行為發生變化，促使Al在初生α相和β相分布得更加均勻，降低了α2相的析出量，從而提高了合金的熱穩定性。
1.2 中性元素
高溫鈦合金中添加的中性元素主要是SN和Zr，與其他元素一起加入可以起到補充強化的作用。Zr和Si之間有著很強的結合力，故Zr影響著Si在基體中的分布。在高溫鈦合金中，硅化物中一般會富集Zr，形成(Ti，Zr)5Si3化合物，且Zr在Ti中的擴散速率比Si小，因此在長時間的熱暴露過程中硅化物的形核長大速率取決于Zr[22]。tC11鈦合金中含有Zr和Si元素，Zr能夠置換出Ti5Si3中的少量Ti，使析出物變為均勻分布且錯配系數更小的(Ti，Zr)5Si3，大幅降低Si的不利影響，使得合金具有良好的熱穩定性[23]。Zr對Ti-1100合金中硅化物的析出也有很大影響，隨著Zr含量的增加，Si的溶解度降低，硅化物析出傾向增加，析出位置由β相逐漸轉移到α相[24]。目前鮮有關于SN元素對高溫鈦合金熱穩定性影響的報道。
1.3 β穩定元素
在高溫鈦合金中，添加的β穩定元素有MO、Si等。MO本身并不會形成析出物，主要起固溶強化、細化晶粒和改善合金熱加工性能的作用。高含量的MO會促進α2相的析出，改變合金的斷裂方式，當MO含量達到3％時，合金的熱穩定性迅速降低，斷裂方式轉變為脆斷[25]。不同的合金有著不同的最佳MO含量。MO含量一般控制在1％以下，以避免因含量過高促進α2相析出，導致蠕變性能與熱穩定性失調。Ti-55.5Al-4.0SN-3.4Zr-0.3NB-1.0Ta-0.45Si-0.8Ｗ-ｘMO合金的最佳MO含量為0.6％，其在650℃/100ｈ高溫暴露后的伸長率為5.5％，比不含MO時高出2％[26]。
Si在合金中有2種存在形式，一種是固溶形式，其在α相中的固溶度僅為0.45％，而在β相中的固溶度達到3％；另一種是以析出物的形式存在，主要為Ti5Si3、Ti6Si3等[27－29]。大量研究[15，18，30]表明，硅化物會優先在兩相區邊界或α基體的位錯密集處形核長大，其與基體沒有固定的位向關系，形狀多為球狀、紡錘狀。
曾立英等[30]在研究Si對Ti-600合金熱穩定性的影響時發現，尺寸微小且均勻分布的硅化物可以提高合金的力學性能，尺寸較大且分布不均的硅化物則會降低合金的力學性能。Ta29鈦合金中含有一定量的Si，在熱暴露過程中硅化物首先會在α片層內形核長大，并逐漸由球形轉變為橢球形[16]。熱暴露初期形成的細小硅化物可以阻止片層間的滑動，維持合金的熱穩定性，但隨著熱暴露時間的增加，長大的硅化物導致位錯纏結堆積加重，并誘發產生微裂紋，極大降低合金的塑性和斷裂韌性，熱穩定性急速下降。
高溫鈦合金中加入的NB、MO、tC等元素均能吸附Si元素，提高Si的固溶作用，延緩基體硅化物的析出[31]。而C的加入能夠增加Si在基體中的溶解度，使硅化物的析出數量和尺寸減小，在高溫處理時，還能使硅化物分布的更為均勻，更有利于合金的熱穩定性[20]。
造成合金熱穩定性降低的主要因素是α2相還是硅化物，目前尚無定論。蔡建明等[15]認為，導致合金熱穩定性下降的主要因素是α2相的析出。在一些過時效合金中，當α2相重溶而硅化物仍然大量存在時，合金的塑性會明顯提升。辛社偉等[32]在研究Ti600合金在600℃下的組織熱穩定性時，得出了和蔡建明相同的結論，即在α2相與硅化物協同降低合金塑性的過程中，α2相的影響起主要作用。而另一種觀點認為，硅化物對合金塑性下降起主要作用，在高溫處理時硅化物發生溶解，合金塑性提升[33]。
1.4 稀土元素
高溫鈦合金中添加的稀土元素主要有gｄ、Nｄ、Ｙ、eｒ等。鄧炬等[34]在研究iMi829鈦合金時發現，添加gｄ元素可以提高蠕變性能和熱穩定性。gｄ原子與基體中的O結合，形成穩定細小的氧化物彌散分布在基體中，既可以阻止α2相的析出，又能分散析出硅化物，因此極大提高了合金的熱穩定性。在高溫鈦合金中添加Ｙ元素具有同樣的作用[35]。丁蓓蓓等[36]在對新型600℃高溫鈦合金Ti-Al-Zr-SN-MO-NB-Si-0.8Nｄ進行研究時發現，Nｄ元素的存在細化了合金晶粒，使晶粒尺寸由200μM減至100μM。
NB元素還能與基體中的O和SN原子結合，降低合金的鋁當量和平均電子濃度，從而抑制α2相析出，提高合金的熱穩定性。Ti60合金中Nｄ元素的作用亦是如此[37]。韓鵬等[38]研究發現，在Ti-6Al-2.5SN-4Zr-3MO-1NB-0.35Si合金中添加eｒ元素后雖然能夠形成稀土氧化物，但氧化物尺寸較大，且分布不均勻，并不能抑制α2相和硅化物的析出，因而不能有效提高合金的熱穩定性。
2、加工工藝對熱穩定性的影響
高溫鈦合金的使用性能還取決于合金的顯微組織形態，而組織形態又取決于合金的熱處理和熱加工過程[39]。高溫鈦合金在經過熱處理或熱加工后，可以得到等軸、網籃、雙態和片層組織等典型組織[7]。研究表明，等軸和雙態組織的熱穩定性好，片層組織的熱穩定性差。因此，研究高溫鈦合金在高溫作用下的組織轉化以及析出物特征對提高合金性能至關重要。
2.1 熱處理
高溫鈦合金中所使用的熱處理主要是固溶時效，也稱為雙重退火。根據文獻[40]，稱為固溶時效更為準確。
對于近α型鈦合金來說，固溶溫度越高，初生α相的含量越低，導致塑性變形能力越差，熱穩定性下降，因此低的固溶溫度有助于提高合金的熱穩定性。段銳等[41]分別在1000、1020℃對近α型tg6鈦合金進行2ｈ固溶處理，在750℃進行2ｈ時效處理，最后進行600℃/100ｈ熱暴露，發現較低溫度固溶的樣品在熱暴露后塑性降低率更低，對應著更優良的熱穩定性。對于β型鈦合金，應采用低的固溶溫度，這是因為高的固溶溫度使得合金中α相的析出量增多，甚至連接成網狀，晶界的連續性被破壞，使得合金在熱暴露中的熱穩定性下降。
趙紅霞等[42]研究了固溶溫度對β型Ti-35V-15Cr-0.15Si-0.05C合金熱穩定性的影響。結果表明，0℃/1.5ｈ固溶處理后，合金再經540℃熱暴露后塑性幾乎沒有損失，而經950℃/1.5ｈ固溶處理后塑性降低約20％。
對于兩相鈦合金，應在單相區固溶處理。儲茂友等[43]研究發現，在單相區固溶處理的Bt25ｙ高溫鈦合金，經700℃/200ｈ熱暴露后析出的硅化物均勻細小，且隨著固溶溫度的提高，析出的硅化物尺寸越來越大。
時效溫度和時間對高溫鈦合金的熱穩定性也有影響。王旭等[44]分別在700℃和750℃對Ti65合金進行了5ｈ的時效處理，隨后進行650℃/100ｈ的熱暴露試驗，研究了時效溫度及時間對熱穩定性的影響。結果表明，經熱暴露后，750℃時效處理樣品的伸長率較700℃時效處理樣品降低約1％。在700℃對Ti65合金分別進行2、5、7ｈ時效，隨著時效時間的延長，熱暴露后合金的伸長率呈現先增加后穩定的趨勢。對于Ti-1100合金，在593℃時效166ｈ后就已經析出硅化物，而Ti3Al化合物的析出速率較慢，時效1000ｈ后才完全析出[45]。
zhang等[46]研究時效處理對Ti-6Al-2Cr-2MO-2SN-2Zr合金熱穩定性影響時發現，隨著時效溫度的升高，斷裂韌性有所提高，而延長時效時間則會導致斷裂韌性下降；在450℃時效時間即使長達1000ｈ，也不會析出硅化物，而在650℃時效500ｈ時所形成的硅化物尺寸已經達到100~300NM，且這種硅化物沒有單一的化學式，成分介于(Ti，Zr)5Si3和(Ti，Zr)6Si3之間，嚴重影響合金的力學性能。趙永慶等[47]研究了不同熱處理對Ti40合金熱穩定性的影響。當僅對Ti40合金進行退火處理時，如分別在700℃和600℃進行4ｈ退火，隨后進行500℃/100ｈ熱暴露，發現退火溫度較高的樣品擁有更高的延伸率，即較好的熱穩定性；而退火溫度對抗拉強度的影響不大。對Ti40合金進行淬火＋預時效＋時效處理時，淬火溫度對熱穩定性的影響很大[48]。當淬火溫度為850℃時，經500℃/100ｈ熱暴露后，其延伸率僅為3.5％，相比未熱暴露試樣(延伸率為15.3％)降低了約70％；在550℃下進行熱暴露時，隨著熱暴露時間的延長，晶界析出相逐漸連成一體，嚴重影響熱穩定性[47]。而當淬火溫度升高至900℃時，熱暴露后合金塑性喪失，熱穩定性下降嚴重。這是因為Ti40合金有著極高的鉬當量，較高溫度的淬火促進了析出物在晶界的形核與析出，弱化了晶界，加之預時效使得晶界平直化，造成熱穩定性降低。
2.2 熱加工
鈦合金通常要經過鍛造、軋制等熱加工才能滿足使用要求，不同的加工方式對合金的熱穩定性有著不同的要求。王田等[49]研究了熱加工方式對Ti-811合金熱穩定性的影響。利用精鍛、連軋＋精鍛、連軋3種工藝方式將原料加工成?40MM的棒材，然后進行適宜的固溶時效處理。研究發現，連軋棒材的延伸率較高，精鍛棒材的延伸率較低，但也達到了18％，僅比連軋棒材低3％。經過425℃/100ｈ熱暴露后，精鍛棒材的延伸率略有升高，連軋＋精鍛棒材的延伸率幾乎不變，而連軋棒材的延伸率略有降低，和精鍛棒材持平。經3種加工方式獲得的棒材均具有良好的熱穩定性，適合在425℃下長時間使用。
紀小虎[50]研究了多向鍛造對Ta15鈦合金熱穩定性的影響。在經過多向鍛造之后，Ta15鈦合金的α相主要為初生α相和次生α相。一方面，隨著鍛造道次的增加，晶粒得到了細化，但是在熱暴露過程中，初生α相會快速長大，使得熱穩定性變差。
另一方面，多向鍛造后次生α相保持著“本征”穩定性，其在熱暴露過程中幾乎不發生長大，有著很好的熱穩定性。
鍛造溫度對鈦合金的熱穩定性有很大的影響，對于不同類型的鈦合金其規律有所不同。Yang等[51]研究了等溫鍛造溫度對α＋β型Bt25ｙ鈦合金熱穩定性的影響，發現鍛造溫度會影響α相的形態與分布，進而影響熱穩定性。鍛造溫度為940℃時，基體中的α相發生靜態球化，這些細小彌散分布的α相能夠很好地協調變形，使合金保持良好的熱穩定性；但隨著鍛造溫度的升高，等軸α晶粒逐漸連接成層片狀，堆積在晶界處，打破了β晶粒的連續性，使得晶粒間的變形協調性降低，合金的熱穩定性嚴重下降。而對于近α型鈦合金，
提高鍛造溫度可使合金晶粒在熱暴露前就保持較大的尺寸，在熱暴露過程中晶粒長大十分有限，因此保持著一定的熱穩定性[50]。ＷａNg等[52]研究了鍛造溫度對Ti-5.8Al-3SN-5Zr-0.5MO-1.0NB-1.0Ta-0.4Si-0.2eｒ合金熱穩定性的影響，發現鍛造溫度不僅影響初生α相的數量，還會影響初生α相中球狀α相和板條狀α相的分配。
經過1000℃鍛造后，合金組織由31％的球狀α相、10％的板條狀α相和59％的次生α相組成，而經過1050℃鍛造后則由18％的球狀α相、22％的板條狀α相和60％的次生α相組成。650℃熱暴露試驗結果表明，在較高溫度下鍛造的合金有著更好的熱穩定性；熱暴露過程中沿α/β相邊界析出的硅化物能夠抑制晶界遷移和位錯滑移，從而提高材料的熱穩定性。
以上研究表明，熱加工通過影響不同相的含量與分布來影響高溫鈦合金的熱穩定性。故對于不同的高溫鈦合金，應當選擇與其相適應的熱加工工藝來獲得多態混合組織，使得熱穩定性滿足使用要求。
3、結語
針對常規高溫鈦合金的熱穩定性，國內外學者進行了大量的研究，并取得了豐碩的成果，但依舊存在一些問題:①元素對高溫鈦合金熱穩定性的影響是通過研究是否添加該元素來獲得的，忽略了所添加元素與合金中其他元素的相互作用；②高溫鈦合金中合金元素的作用不是孤立單一的，而是多種合金元素之間相互影響的協同作用，要厘清這些元素的協同作用是比較困難的；③高溫鈦合金中添加的元素種類多、含量少，在批量生產過程中易出現偏析，難以保證成分均勻化以及有效控制雜質含量，傳統的熱加工和熱處理也很難消除這
些影響；④目前對于熱穩定性的研究過多的強調結果分析，缺乏對析出物形成過程中擴散效應的理論研究。
因此，可以將高溫鈦合金的成分控制、熱處理及熱加工工藝的優化作為下一步研究方向。借助計算機，利用現有鈦合金數據庫，建立元素含量、熱加工及熱處理參數與組織穩定性之間的關系。相信隨著研究的深入和技術的發展，熱穩定性相關問題將會得到妥善解決，高溫鈦合金將在航空航天中發揮越來越重要的作用。
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