Ti60與Ti65作為我國自主研發的近α型高溫鈦合金，憑借優異的高溫強度、抗氧化性和抗蠕變性能，已成為航空發動機壓氣機葉片、輪盤等熱端部件的核心材料。Ti60合金長期使用溫度可達600℃，Ti65則進一步拓展至650℃，兩者均通過Al、Sn、Zr等元素固溶強化及Si化物析出強化實現性能提升。隨著航空航天技術對構件輕量化、長壽命的需求升級，兩類合金的連接工藝、氧化行為、織構調控及高溫力學性能優化成為研究熱點，其性能調控機制與工程應用技術的突破對高端裝備發展具有重要意義。

當前針對Ti60與Ti65的研究已覆蓋材料制備、熱處理、連接技術及服役行為等多個維度。擴散連接技術實現了復雜構件的整體成形，但其界面結合質量與基體性能匹配仍需優化；高溫氧化行為揭示了氧化動力學規律與富氧層危害，為防護涂層設計提供依據；織構研究闡明了晶體取向對力學性能的各向異性影響，指導了軋制與熱處理工藝協同調控；固溶時效制度的優化則實現了強度與塑性的平衡。然而，兩類合金在極端工況下的性能穩定性、連接接頭的長期可靠性等問題仍有待深入探索。

利泰金屬系統整合5篇研究文獻的核心數據，從材料特性出發，依次闡述Ti60合金的擴散連接工藝、氧化行為、織構與性能關系，Ti65合金的高溫力學性能規律，以及Ti60軋棒的固溶處理優化。通過對比分析工藝參數與性能的關聯機制，總結關鍵技術突破與現存問題，為高溫鈦合金的工程應用與技術升級提供系統性參考。

1、Ti60與Ti65鈦合金的材料特性

1.1化學成分與強化機制

Ti60鈦合金屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系近α型合金，其典型化學成分（質量分數）為：Al5.5% ~6.5%、Sn3.5%~4.0%、Zr3.0%~3.5%、Mo0.5%~0.8%、Nb0.3%~0.5%、Ta0.8%~1.0%、Si0.3%~0.4%，其余為Ti[1][5]。其中，Al和Sn作為α相穩定元素，通過固溶強化提高合金的高溫強度；Mo、Nb、Ta等β相穩定元素可改善工藝塑性，抑制β相晶粒粗化；Si則通過形成(Ti,Zr)?Si等硅化物顆粒，顯著提升合金的抗蠕變性能[5]。

Ti65鈦合金在Ti60基礎上調整成分，典型化學成分為（質量分數）：Al5.8%、Sn4.0%、Zr3.5%、Mo0.5%、Ta1.0%、Si0.4%、W0.8%、Nb0.3%、C0.055%，余量為Ti[4]。新增的W元素進一步增強了高溫穩定性，與Si協同作用形成更穩定的析出相，使其長期使用溫度提升至650℃，比Ti60高出50℃[4]。

1.2基礎力學性能

Ti60合金的室溫力學性能優異，熱軋退火態的屈服強度為1139.7MPa，抗拉強度達1154.5MPa，斷后伸長率15.2%[1]。在550℃高溫環境下，經優化熱處理后其抗拉強度仍可保持在800MPa以上，滿足航空發動機壓氣機部件的服役要求[5]。

Ti65合金則更側重高溫性能，在740℃、應變率0.0018s?1條件下，峰值應力可達381.1MPa；即使在840℃高溫下，相同應變率時峰值應力仍能維持在138MPa，展現出比Ti60更優的高溫承載能力[4]。

2、Ti60鈦合金的擴散連接工藝

2.1工藝參數對界面性能的影響

2.1.1保溫溫度的作用

在保壓壓力2MPa、保溫時間2h的條件下，保溫溫度對Ti60合金擴散連接界面的焊合率和剪切強度影響顯著（表1）。當溫度從900℃升至960℃時，界面焊合率從70.0%提升至98.5%，剪切強度從196.0MPa增至559.6MPa[1]。

微觀組織演變：900℃時，界面存在大量長條狀孔洞，β相體積分數較高；隨著溫度升高，孔洞逐漸球化并減少，β相含量降低，晶界與晶粒逐漸占據界面結合區域[1]。940℃是性能突變點，此時焊合率達95.9%，剪切強度547.9MPa，繼續升溫至960℃，性能提升幅度明顯減緩[1]。這是因為高溫促進原子擴散，加速孔洞彌合，但同時也會導致基體晶粒粗化，抵消部分強化效果。

2.1.2保溫時間與保壓壓力的影響

在940℃、2MPa條件下，保溫時間從0.5h延長至3.0h，焊合率從84.9%升至97.8%，剪切強度從261.6MPa增至559.2MPa[1]。0.5~2.0h是性能快速提升階段，2.0h后界面孔洞基本消除，性能趨于穩定[1]。

保壓壓力對界面性能的影響呈現先升后穩的趨勢：1.0MPa時焊合率89.0%、剪切強度439.7MPa；2.0MPa時焊合率95.9%、剪切強度547.9MPa；3.0MPa時焊合率97.4%、剪切強度557.7MPa[1]。壓力通過增加界面接觸面積促進擴散，但過高壓力（如2.5MPa）可能因受力不均導致局部未貼合，反而使焊合率略有下降[1]。

2.2最優工藝與基體性能變化

綜合試驗數據，Ti60合金擴散連接的最優工藝為960℃/2MPa/2h，此時焊合率98.5%，剪切強度559.6MPa，接近基體強度的95%[1]。但需注意，高溫處理會導致基體強度下降：940℃保溫2h后，室溫抗拉強度從1154.5MPa降至994.1MPa，降幅約14%[1]。這是由于α晶粒等軸粗化和回復再結晶所致，后續需通過熱處理優化恢復性能[1]。

3、Ti60鈦合金的高溫氧化行為

3.1氧化動力學規律

Ti60合金在600~750℃范圍內的氧化符合線性-拋物線混合規律，氧化指數n（Wagner公式）為1~2，氧化激活能256kJ/mol[2]。600℃時氧化增量極小，100h內單位面積增重不足0.1mg/cm2；750℃時氧化顯著加劇，100h增重可達0.8mg/cm2以上[2]。

溫度依賴性：600~650℃時，氧化接近拋物線規律（n≈1.8~1.9），受擴散控制；700~750℃時，n降至1.2~1.5，氧化受擴散與表面反應共同控制[2]。激活能256kJ/mol處于鈦合金典型氧化激活能范圍（183~299kJ/mol），表明其抗氧化性能優于IMI834合金（激活能184kJ/mol）[2]。

3.2氧化產物與富氧層

3.2.1氧化物組成

600℃氧化100h或750℃氧化10h時，氧化產物主要為TiO?；750℃氧化100h后，表面除TiO?外，還檢測到少量Al?O?[2]。這是因為長期高溫下，TiO?與基體界面處貧Ti，使Al當量濃度升高，促進Al?O?生成[2]。Al?O?的出現可略微降低氧化速率，但因含量少（XRD峰強度弱），對整體抗氧化性提升有限[2]。

3.2.2富氧層特征

氧在擴散形成氧化層的同時，會向基體滲透形成脆性富氧層。650℃氧化100h時，富氧層厚度約50μm；750℃氧化100h時，厚度增至200μm以上[2]。富氧層與基體界限清晰，內部易產生橫向裂紋（圖8），在拉伸載荷下可引發早期斷裂，顯著惡化力學性能[2]。

氧化物優先沿原始β晶界形核，這是由于β晶界缺陷多、擴散通道豐富，使氧更易聚集形成TiO?，從而在表面勾勒出基體組織形貌[2]。

4、Ti60合金棒材的織構與拉伸性能

4.1鍛態與熱處理態織構特征

4.1.1不同規格棒材的織構差異

D45棒材（直徑45mm）：鍛態組織主要存在α相<0001>和<101ˉ0>方向的絲織構，軸向與α相c軸或<101ˉ0>方向平行[3]。

D30棒材（直徑30mm）：鍛態以<101ˉ0>絲織構為主，<0001>織構較弱[3]。

這種差異源于精鍛變形量：D30變形量更大，柱面滑移系充分開動，促使<101ˉ0>取向晶粒擇優生長[3]。

4.1.2熱處理對織構的影響

隨固溶溫度升高（950~1050℃），兩類棒材的<0001>絲織構均增強，<101ˉ0>絲織構減弱：

D45棒材：1050℃處理后，<0001>織構最大密度達8.4，<101ˉ0>織構幾乎消失[3]。

D30棒材：1050℃處理后形成強<0001>絲織構，密度顯著高于D45[3]。

這是因為高溫下β相比例增加，冷卻時次生α相沿β相<110>方向析出，繼承了β相的織構特征[3]。

4.2織構對拉伸性能的影響

織構是影響Ti60棒材拉伸性能的關鍵因素：

D45棒材：熱處理對強度影響較小，1000℃處理后屈服強度1009MPa、抗拉強度1105MPa，塑性隨溫度升高略有下降（1050℃時延伸率6.1%）[3]。

D30棒材：強度隨溫度升高顯著增加，1050℃處理后屈服強度1086MPa、抗拉強度1144MPa，但延伸率僅3.3%[3]。

機理分析：<0001>織構需開動高臨界剪切應力的錐面滑移系，導致強度升高、塑性下降；<101ˉ0>織構則易激活柱面滑移系，塑性更優[3]。1000℃處理可獲得強度與塑性的平衡，是D30棒材的最優選擇[3]。

5、Ti65鈦合金板材的高溫力學性能

5.1溫度與應變率的影響

5.1.1溫度對峰值應力的作用

在應變率0.0018s?1條件下，Ti65板材的峰值應力隨溫度升高顯著降低：740℃時達381.1MPa，790℃時降至236.7MPa，840℃時僅138.0MPa[4]。這是因為高溫降低了滑移系臨界剪切應力，促進動態回復與再結晶，使軟化作用主導變形過程[4]。

5.1.2應變率的影響

790℃時，應變率從0.0012s?1增至0.0024s?1，峰值應力從207.9MPa升至244.9MPa[4]。高應變率下，位錯來不及充分運動，動態軟化不充分，硬化作用更顯著[4]。

5.2高溫斷裂機制

Ti65合金高溫斷裂以微孔聚集型塑性斷裂為主。740℃時斷口存在大量分布不均的大尺寸孔洞；790℃時則形成數量多、分布均勻的小尺寸等軸韌窩[4]。溫度越高等軸韌窩越多，塑性越好，與延伸率測試結果一致[4]。

熱成形工藝推薦：790℃為最優溫度，此時變形抗力適中（峰值應力236.7MPa），塑性良好，可兼顧加工效率與模具壽命[4]。

6、固溶制度對Ti60合金軋棒組織和性能的影響

6.1固溶溫度的調控作用

在α+β兩相區（1000~1020℃）固溶處理后，Ti60軋棒的組織與性能變化如下：

組織演變：隨溫度升高，等軸α相含量從50%（1000℃）降至8%（1020℃），板條狀α相消失，次生α相（細針狀）含量增加[5]。

性能變化：室溫抗拉強度從1050MPa（1000℃）升至1070MPa（1020℃），塑性變化不明顯（延伸率約10%）[5]。

這是由于次生α相的析出強化效應超過晶粒粗化的軟化作用，使強度略升[5]。

6.2冷卻方式的影響

1010℃固溶后，不同冷卻方式對組織性能影響顯著（冷卻速率：水冷>空冷>爐冷30min后空冷）：

組織差異：冷卻速率降低，片狀α厚度、α集束尺寸及晶界α厚度均增加[5]。

性能變化：室溫抗拉強度從水冷的1150MPa降至爐冷的1040MPa，550℃高溫強度同步下降，塑性則隨冷卻速率降低略有提升[5]。

最優熱處理制度為：1010℃保溫2h空冷+700℃保溫2h空冷，此時抗拉強度1070MPa，延伸率10%，強塑匹配最佳[5]。

7、總結

本文基于五篇文獻系統研究了Ti60與Ti65高溫鈦合金的關鍵技術特性，核心結論如下：

Ti60擴散連接：960℃/2MPa/2h為最優工藝，焊合率98.5%，剪切強度559.6MPa，高溫處理會使基體強度下降14%，需后續熱處理恢復[1]。

Ti60氧化行為：600~750℃氧化符合線性-拋物線規律，氧化產物以TiO?為主，長期高溫生成少量Al?O?；富氧層厚度隨溫度和時間增加，易引發裂紋[2]。

Ti60織構調控：<0001>織構增強可提高強度但降低塑性，1000℃熱處理是D30棒材的最優選擇，可平衡強塑性能[3]。

Ti65高溫性能：740~840℃范圍內，峰值應力隨溫度升高降低、隨應變率增加升高，790℃是熱成形的最佳溫度[4]。

Ti60固溶優化：1010℃空冷+700℃時效可獲得最佳強塑匹配，適用于軋棒工業化生產[5]。

兩類合金的性能調控需結合具體應用場景：Ti60適用于600℃以下的結構件，Ti65則可滿足650℃高溫需求，其工藝優化為航空發動機熱端部件的設計提供了數據支撐。

參考文獻

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