鈦合金及鎳鈦形狀記憶合金憑借其獨特的力學性能與功能特性，在航空航天、生物醫學、高端裝備制造等領域占據不可替代的地位。TC4鈦合金作為典型的 α+β 型鈦合金，以高強度、優異的耐腐蝕性和生物相容性，廣泛應用于航空發動機部件、醫療器械支架等；鎳鈦合金則因超彈性和形狀記憶效應，成為介入醫療領域血管支架、正畸絲的核心材料。兩種材料的性能均高度依賴加工工藝與熱處理制度，如何通過工藝優化實現組織與性能的精準調控，是當前研究的核心課題。
近年來，拉拔、焊接、增材制造等加工技術的進步為鈦合金絲材的性能提升提供了新途徑。拉拔工藝通過多道次塑性變形細化晶粒、調控織構，顯著提高材料強度；熱處理則通過改變相變溫度與析出相分布，平衡強度與塑性；焊接與增材制造技術雖拓展了材料的應用范圍，但也帶來了接頭脆性、各向異性等問題。系統梳理這些工藝對材料組織演化與性能的影響規律，對推動高端絲材的工程化應用具有重要意義。
本文基于5篇相關研究論文，整合了鎳鈦合金絲材的熱處理效應、TC4鈦合金絲材的拉拔工藝優化、焊接失效機制、退火溫度對力學性能的影響，以及 TC11鈦合金增材制造技術的最新成果。通過分析工藝參數與性能的關聯規律，總結關鍵技術要點與應用邊界，為鈦合金及鎳鈦合金絲材的研發與生產提供理論支撐和實踐指導。
1、材料特性與加工工藝基礎
1.1 鎳鈦形狀記憶合金的材料特性
鎳鈦合金（Ni-Ti）作為典型的形狀記憶合金，其獨特的超彈性與形狀記憶效應源于馬氏體 - 奧氏體相變的可逆性。研究表明，等原子比附近的鎳鈦合金（如 Ti-50.8Ni）在室溫下可呈現應力誘發馬氏體相變：當施加外力時，奧氏體相轉變為馬氏體相，卸載后馬氏體逆變為奧氏體，應變完全恢復，形成超彈性 [1]。這種特性使其在醫學領域（如血管支架、正畸絲）中不可或缺 —— 支架通過超彈性實現血管內的自主擴張，正畸絲則利用形狀記憶效應維持持續矯正力。
鎳鈦合金的相變溫度（馬氏體轉變溫度 M?、奧氏體逆轉變溫度 A?）是其功能特性的核心參數，受化學成分與熱處理工藝共同調控。例如，富鎳合金中析出的 Ti?Ni?相可提高相變溫度，而高溫退火則會降低相變溫度 [1]。此外，鎳鈦合金的顯微組織由母相（B2 結構奧氏體）、馬氏體相（B19' 結構）及 R 相（三斜結構）組成，三者的比例直接影響超彈性表現 ——R 相的出現會導致應力平臺變寬，降低超彈性恢復率 [1]。
1.2 TC4鈦合金的組織與性能基礎
TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）的力學性能取決于 α 相（密排六方結構）與 β 相（體心立方結構）的比例與分布。退火態 TC4 通常呈現雙態組織：等軸 α 相（約 60%）均勻分布于 β 轉變基體中，這種組織兼具高強度（抗拉強度 900-1100MPa）與良好塑性（伸長率 10%-15%）[4]。通過冷拉拔等塑性變形工藝，可使晶粒沿變形方向伸長形成纖維組織，強度進一步提升，但塑性下降 [2]。
TC4鈦合金的相變特性是工藝調控的關鍵：β 相變點約為 995℃，當加熱溫度高于相變點時，α 相完全轉變為 β 相；冷卻速度不同，β 相可轉變為馬氏體 α' 相（快冷）或魏氏組織（慢冷）[3]。焊接過程中的快速熱循環易導致焊縫區形成脆性 α' 馬氏體，使接頭沖擊韌性下降，這也是 TC4 焊接構件失效的主要原因 [3]。
1.3 加工工藝對材料性能的調控途徑
鈦合金及鎳鈦合金的性能調控主要通過以下工藝實現：
熱處理：通過控制加熱溫度、保溫時間與冷卻速度，改變相變溫度、析出相形態及晶粒尺寸。例如，鎳鈦合金的低溫短時退火可保留細小組織，獲得優異超彈性 [1]；TC4 的雙重退火（α+β 區加熱 + 時效）可平衡強度與塑性 [4]。
拉拔工藝：多道次冷拉拔通過累積塑性變形引入位錯纏結與織構，細化晶粒并提高強度。TC4 絲材經 9 道次拉拔（累積變形量 64%）后，維氏硬度從 304 提升至 357，抗拉強度提高 20% 以上 [2]。
焊接與增材制造：通過高能束（鎢極氬弧、電子束）實現材料連接或成形，但需控制熱輸入以避免脆性相生成。電子束熔絲增材制造的 TC11鈦合金經熱處理后，抗拉強度可達 1140MPa，且各向異性顯著降低 [5]。
2、熱處理對鎳鈦合金與 TC4鈦合金絲材性能的影響
2.1 退火工藝對鎳鈦合金超彈性的調控規律
鎳鈦合金的超彈性對退火參數極為敏感。實驗表明，在 400-600℃范圍內，隨退火溫度升高或保溫時間延長，超彈性顯著下降：400℃×5min 退火時，合金的應力誘發馬氏體相變臨界應力 σ?約為 800MPa，殘余應變僅 0.5%；而 600℃×30min 退火后，σ?降至 600MPa，殘余應變增至 4%[1]。這一現象與以下機制相關：
位錯與缺陷演化：低溫短時退火可保留適量位錯與細小晶粒，抑制馬氏體再取向，維持高彈性恢復能力；高溫長時間退火則使位錯湮滅、晶粒粗化，塑性變形主導變形過程，超彈性喪失 [1]。
析出相影響：富鎳合金在 500℃以上退火時，析出 Ti?Ni?相，導致基體貧鎳，相變溫度升高。當保溫時間超過 15min，析出相粗化，共格性減弱，對基體的強化作用下降，σ?降低 [1]。
差示掃描量熱儀（DSC）測試顯示，退火溫度升高使馬氏體 - 奧氏體逆相變終了溫度 A?降低（400℃退火時 A?為 60℃，600℃時降至 30℃），而保溫時間延長則使 A?升高（5min 時 A?為 45℃，30min 時升至 55℃）[1]。這一規律為鎳鈦合金的溫度適應性設計提供了依據 —— 例如，血管支架需在體溫（37℃）下保持超彈性，需將 A?調控至 35℃以下，可選擇 500℃×10min 退火工藝 [1]。
2.2 退火溫度對 TC4鈦合金力學性能的影響
TC4鈦合金的退火工藝需兼顧強度與塑性的平衡。研究表明，冷拔態 TC4 經不同溫度退火（300-600℃，保溫 1.5h）后，力學性能呈現以下規律 [4]：
強度變化：400℃退火時抗拉強度達到峰值（1085.6MPa），較冷拔態（1060.1MPa）提高 2.4%；600℃退火后強度降至 1022.7MPa，原因是高溫下位錯回復與晶粒粗化 [4]。
塑性演變：伸長率隨退火溫度升高呈先降后升趨勢，600℃時達到最大值 11.3%，較冷拔態（9.5%）提高 19%。這與 α 相的球化及 β 相的均勻分布有關 —— 高溫退火促進魏氏組織向等軸組織轉變，改善變形協調性 [4]。
加工硬化行為：冷拔態的加工硬化率呈連續下降趨勢，而 500℃以上退火后轉變為臺階式下降，表明材料的塑性變形從位錯塞積主導轉為晶界滑移與相變協同作用 [4]。
斷口分析顯示，所有退火態 TC4 均為韌性斷裂，但韌窩尺寸與分布存在差異：400℃退火后韌窩細小且淺（直徑約 5μm），600℃時韌窩深且均勻（直徑 10-15μm），印證了塑性隨溫度升高而改善的規律 [4]。
2.3 熱處理工藝的工程化應用邊界
熱處理參數的選擇需根據材料的應用場景確定：
鎳鈦合金醫療器件：血管支架要求超彈性恢復率 > 95%，需采用 400-450℃×5-10min 退火，避免高溫導致的性能劣化 [1]；正畸絲需兼顧強度與可塑性，可選擇 500℃×15min 工藝，使 σ?控制在 700-750MPa [1]。
TC4 結構件：航空發動機葉片需高強度與抗蠕變性能，宜采用 600℃×2h 退火，獲得雙態組織（等軸 α 相 +β 轉變基體）；醫療器械（如骨釘）需高塑性，應選擇 600℃×3h 退火，伸長率可達 11% 以上 [4]。
3、TC4鈦合金絲材的拉拔工藝優化與組織演化
3.1 拉拔設備設計與參數優化
TC4鈦合金絲材的拉拔需通過設備與工藝的協同設計實現精準控形控性。研究表明，拉拔設備的核心組件包括 [2]：
模具系統：工作錐角、定徑帶長度對拉拔力與絲材質量影響顯著。有限元模擬顯示，工作錐角 7° 時拉拔力最小（240N），較 5°（270N）和 11°（280N）降低 10%-15%；定徑帶長度 3mm 可保證尺寸精度，過長（4mm）會增加摩擦熱，過短（2mm）則導致絲材直徑波動 [2]。
驅動系統：采用 YE2-90L2-4 三相異步電機（功率 1.5kW），通過變頻器控制拉拔速度 30mm/s，避免速度過高（>50mm/s）導致的局部過熱與應力集中 [2]。
潤滑與冷卻：使用聚晶金剛石模具與專用潤滑劑，摩擦系數控制在 0.1-0.15，減少模具磨損與絲材表面劃傷 [2]。
多道次拉拔工藝中，單道次變形量需階梯式降低：從初始直徑 1mm 拉拔至 0.6mm 時，前 5 道次變形量 10%-12%，后 4 道次降至 8%-9%，累積變形量 64%，可避免絲材斷裂 [2]。
3.2 拉拔過程中的組織與性能演變
拉拔變形通過晶粒細化與織構調控實現 TC4 性能強化，具體規律如下 [2]：
顯微組織變化：
冷拔初期（3 道次，變形量 27.75%）：等軸 α 相沿拉拔方向輕微伸長，β 相呈斷續分布。
中期（6 道次，變形量 51%）：形成纖維組織，α 相拉長為條狀（長徑比 5-8），位錯纏結密集。
后期（9 道次，變形量 64%）：晶粒細化至 1-2μm，小角度晶界比例從 44.5% 增至 49.8%，織構取向向 <10-10> 轉變 [2]。
力學性能提升：
硬度：維氏硬度從退火態 304 升至 357，增幅 17.4%。
強度：抗拉強度從 900MPa 提高至 1100MPa，屈服強度從 800MPa 升至 950MPa。
塑性：伸長率從 15% 降至 8%，但通過中間退火（600℃×1h）可恢復至 10%[2]。
電子背散射衍射（EBSD）分析表明，拉拔誘導的 <10-10> 織構使絲材沿軸向強度提高 20%，但徑向塑性下降，呈現明顯各向異性 [2]。
3.3 拉拔工藝與熱處理的協同優化
為平衡 TC4 絲材的強度與塑性，需采用 “拉拔 + 中間退火” 復合工藝：
中間退火時機：當累積變形量達 40% 時，絲材加工硬化嚴重（硬度 > 340HV），需進行 600℃×1h 退火，通過位錯回復與部分再結晶，使伸長率從 6% 恢復至 12%[2]。
最終熱處理：拉拔完成后采用 550℃×2h 時效，促進 β 相中析出細小 α 相，進一步提高強度（抗拉強度增加 50MPa），且不顯著降低塑性 [4]。
該工藝生產的 TC4 絲材可滿足航空緊固件要求（抗拉強度≥1000MPa，伸長率≥8%），同時降低生產成本 30% 以上 [2]。
4、TC4鈦合金絲材的焊接失效機制與增材制造技術
4.1 焊接接頭的組織特征與失效原因
TC4鈦合金絲材采用鎢極氬弧焊時，接頭區域因熱循環差異形成三個特征區 [3]：
焊合區：快速加熱（1000-1200℃）與冷卻（速率 > 100℃/s）導致 β 相轉變為針狀 α' 馬氏體，XRD 分析顯示 α' 相占比 > 80%，顯微硬度達 5.5GPa，是母材的 1.5 倍 [3]。
熱影響區：溫度 600-900℃，等軸 α 相部分溶解，冷卻后形成魏氏組織，硬度 3.7GPa，塑性中等 [3]。
母材區：未受熱影響，保持雙態組織，硬度 3.0-3.5GPa [3]。
沖擊試驗表明，焊接接頭的斷裂均發生于焊合區，斷口呈平齊狀，存在河流狀解理臺階，為典型脆性斷裂 [3]。原因是 α' 馬氏體滑移系少，位錯運動受阻，當沖擊載荷作用時，裂紋沿晶界快速擴展 [3]。
4.2 電子束熔絲增材制造 TC11鈦合金的組織與性能
TC11鈦合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）通過電子束熔絲增材制造技術可實現復雜構件的近凈成形，其組織與性能調控規律如下 [5]：
沉積態組織：沿 <001> 方向生長的柱狀晶（寬度 0.3-1.0mm），晶界存在連續 α 相，晶內為網籃狀 α 相（厚度 1.1μm），室溫抗拉強度 1058-1105MPa，但斷后伸長率各向異性顯著（V 方向 10.3% vs H 方向 7.5%）[5]。
熱處理優化：經 950℃×2h 空冷 + 530℃×6h 空冷處理后，晶界連續 α 相破碎，α 相粗化至 1.8μm，形成雙片層組織，室溫抗拉強度提升至 1122-1140MPa，伸長率各向異性從 27.1% 降至 5.4%[5]。
高溫性能：500℃時，熱處理態試樣抗拉強度 755-772MPa，斷面收縮率 61.7%-65.8%，滿足航空發動機壓氣機葉片的使用要求 [5]。
增材制造與鍛件的界面過渡區存在 “雪花” 狀初生 α 相，是應力集中的敏感區域，但熱處理后界面強度可達 1006MPa，滿足工程應用要求 [5]。
4.3 焊接與增材制造的工藝改進方向
為解決接頭脆性與各向異性問題，需從以下方面優化工藝：
焊接熱輸入控制：采用脈沖鎢極氬弧焊，將熱輸入從 200J/mm 降至 100J/mm，減少 α' 馬氏體生成，使焊合區硬度降至 4.5GPa，沖擊韌性提高 50%[3]。
增材制造掃描策略：采用交替方向掃描，使柱狀晶生長方向紊亂，降低織構強度，各向異性可進一步降至 3% 以下 [5]。
后續熱處理：焊接接頭采用 550℃×4h 消除應力退火，增材構件采用 β 區固溶（980℃）+ 時效處理，均可有效改善組織均勻性 [3,5]。
5、鎳鈦合金與鈦合金絲材的應用場景與工藝適配性
5.1 生物醫學領域的應用與工藝選擇
血管支架：鎳鈦合金需具備高超彈性（恢復率 > 95%）與耐疲勞性能，采用 400℃×5min 退火，確保相變溫度 A?<35℃，支架直徑可從 0.41mm 擴張至 2-3mm 而不失效 [1]。
骨釘與正畸絲：TC4 絲材要求強度與韌性平衡，采用 “拉拔（變形量 50%）+600℃×1h 退火” 工藝，抗拉強度 1000MPa，伸長率 10%，滿足植入物力學要求 [4]。
5.2 航空航天領域的應用技術要求
發動機緊固件：TC4 絲材需抗蠕變與振動疲勞，通過 9 道次拉拔 + 550℃時效，獲得纖維組織，10?次循環疲勞強度達 500MPa [2]。
壓氣機葉片：電子束增材制造 TC11 構件經雙重退火后，500℃高溫強度 755MPa，斷裂韌性 60MPa?m1/2，可替代傳統鍛件 [5]。
5.3 工藝適配性評估與典型案例
| 應用場景 | 材料 | 核心性能要求 | 最優工藝 |
| 血管支架 | 鎳鈦合金 | 超彈性、耐蝕性 | 400℃×5min 退火 |
| 航空緊固件 | TC4 | 高強度、疲勞性能 | 9 道次拉拔（變形 64%）+550℃時效 |
| 焊接結構件 | TC4 | 接頭韌性、強度 | 脈沖氬弧焊 + 550℃消除應力退火 |
| 高溫葉片 | TC11 | 高溫強度、各向異性低 | 電子束增材 + 950℃×2h+530℃×6h 退火 |
6、總結
本文系統分析了鎳鈦合金與鈦合金絲材的加工工藝、組織演化與性能調控規律，核心結論如下：
熱處理的關鍵作用：鎳鈦合金的超彈性隨退火溫度升高而下降，低溫短時工藝（400-450℃×5-10min）是最佳選擇；TC4鈦合金的退火溫度決定塑性水平，600℃時伸長率達 11.3%，但強度略有降低。
拉拔工藝的強化機制：多道次拉拔通過晶粒細化與織構調控提高 TC4 強度，最佳參數為工作錐角 7°、速度 30mm/s，累積變形量 64% 時硬度提升 17.4%，但需中間退火緩解加工硬化。
焊接與增材制造的挑戰：TC4 焊接接頭的 α' 馬氏體導致脆性斷裂，需控制熱輸入并進行消除應力退火；TC11 增材制造構件經熱處理后，各向異性顯著降低，可滿足航空領域要求。
應用導向的工藝適配：生物醫學領域優先選擇低溫退火鎳鈦合金與中溫退火 TC4；航空航天領域則需結合拉拔強化與高溫時效，或采用增材制造 + 雙重退火技術。
未來研究應聚焦于多工藝協同調控（如拉拔 - 熱處理耦合）、接頭性能優化及服役行為預測，推動高端絲材的工程化應用。
參考文獻
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