鈦合金工藝決定顯微組織結構，顯微組織結構決定力學性能。在生產實踐中，人們往往進行反推，即根據所要求的力學性能，判斷最優的組織狀態，然后根據所需要的組織狀態，進行合金熱加工和熱處理工藝的優化。在這個過程中，組織和性能的關系成為最為關鍵的步驟。

一般的組織與性能的關系，通過大量的測試和實踐，已經形成了一定的共識。鈦合金四種典型組織形態合金力學性能的一般關系見表1，每一種組織都有其對應的力學性能優勢項和劣勢項。然而，現代航空飛行材料的綜合服役條件，越來越要求材料具有較好的綜合力學性能。所以，目前對材料較高要求的綜合力學性能和材料性能只能滿足部分優勢性能的矛盾是鈦合金材料加工和工程應用的主要矛盾。為了緩解這一矛盾，人們不斷通過工藝的創新，進行組織的最佳化。比如近β、準β、多重熱處理的推出，都是一定程度犧牲工藝的便利性，獲得最優化的組織形態，從而獲得最佳的綜合力學性能。

表1  鈦合金四種典型組織形態與合金力學性能的一般關系

同顯微組織結構對合金力學性能的影響

01顯微組織對室溫強度和塑性的影響

一般認為，合金隨著初生α相的減少，強度下降，塑性升高，所以從等軸組織到雙態組織到片層組織，合金塑性逐漸降低，強度逐漸升高。在不同組織狀態下TC4合金的室溫力學性能見表2。

表2 不同組織狀態下TC4合金的室溫力學性能

02顯微組織對斷裂韌性和裂紋擴展速率的影響

關于組織對鈦合金斷裂韌性、裂紋擴展速率的影響，通過大量的研究，目前已經得出一些規律，即在β區變形或β區熱處理獲得的片層狀組織結構，可獲得更高的斷裂韌性和抗裂紋擴展速率。其解釋是由于原始β晶界和α集束的影響，裂紋容易分叉而形成次生裂紋，所以裂紋在片狀組織中的擴展路徑更曲折，導致裂紋總的長度增加，需要消耗更多的能量。兩種典型組織狀態下TC4合金的性能見表3。不同組織狀態下TC11合金的性能見表4.

表3 兩種典型組織狀態下TC4合金的性能

表4 不同組織狀態下TC11合金的性能

03顯微組織對合金熱強性的影響

鈦合金的熱強性反應材料在高溫條件下抵抗變形的能力，通常研究最廣泛的性能有高溫下的瞬時強度、持久強度和蠕變強度。大量的研究表明：片狀組織的熱強性要比球狀組織的高。當晶粒尺寸增大并使晶粒結構由球狀變為片狀組織時，持久強度先是增加，然后降低，合金的抗蠕變能力隨著β晶粒尺寸的增大而提高。在鈦合金四種典型組織形態中，網籃組織的熱強性最好，即網籃組織具有最好的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度的綜合性能。魏氏組織次之，等軸組織熱強性最低。TC11合金的熱強性與組織類型的關系見表5。

表5  TC11合金的熱強性與組織類型的關系

04組織對疲勞性能的影響

光滑試樣在對稱循環高頻應力作用下，等軸組織比片狀組織有更好的疲勞強度，同時，組織越細小疲勞性能越好。在四種典型的組織狀態下，等軸組織的疲勞性能最好，其次是雙態組織，再次是網籃組織，魏氏組織的疲勞性能最差。表6所示為不同組織對TC6合金疲勞性能的影響。

表6 不同組織對TC6合金疲勞性能的影響

鈦合金顯微組織結構的設計

現代飛行器的高速發展，對材料的應用性能也提出了新的要求，即現代航空工業結構設計和選材的五項基本因素：“未損傷”材料的靜強度及剛度；“未損傷”材料的疲勞性能；高溫使用時的蠕變、持久和熱穩定性；有損傷材料的靜強度；有損傷材料的疲勞性能。材料選材判據與組織性能的關系見表7。可以看到這些性能對組織的要求具有不可調和的矛盾，所以在現實工程應用中，就需要針對合金要求的力學性能，進行組織的設計，即根據要求設計特有組織或“中間”組織，滿足合金力學性能指標要求。以下就典型的兩類鈦合金—高溫鈦合金和高強韌鈦合金的組織設計進行說明。

表7 材料選材判據與組織性能的關系

01高溫鈦合金的顯微組織設計

在實際應用中，高溫鈦合金要求材料具有良好的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性等的匹配，其中最重要的是熱穩定性、高溫蠕變性能和疲勞性能匹配，而這些性能對材料的成分和組織的要求是矛盾的。因此IMI834合金為了兼顧蠕變性能和疲勞性能，使用初生α相含量為15%的雙態組織，在兩相區上限溫度進行固溶處理。對于截面尺寸＞15mm的坯料，推薦采用油冷；截面尺寸＜15mm的坯料，推薦采用空冷，然后在700℃進行時效處理。在合金中加入的0.06%C，也是為了擴大兩相區熱處理的溫度范圍，易于固溶熱處理時更好地控制初生α相的含量，圖1所示為IMI834合金最佳熱處理區及其對應的組織形態。

圖1 IMI834合金最佳熱處理區及其對應的組織形態

而同樣作為高溫鈦合金，為了獲得更高的蠕變性能，Ti1100合金鍛件的生產推薦采用β鍛造和直接時效的熱加工工藝路線，獲得片層組織狀態。即在相變點以上25~55℃范圍內進行鍛造，R鍛造之后直接進行600℃/8h的時效處理。這樣的工藝減少了一次高溫熱處理，簡化了工藝，降低了生產成本。圖2所示為Ti1100合金使用狀態的組織形態。

02高強韌鈦合金的組織設計

表7中除高溫使用時的蠕變、持久和熱穩定性外，所有的性能幾乎都是高強韌鈦合金所要強調的性能。可以看出，其對應的最優組織狀態為完全矛盾的兩種組織，因此，為協調不同性能之間的關系，高強韌鈦合金在細化晶粒的同時，盡可能選擇一種介于等軸組織和片層組織“中間”的組織狀態。通常采用較為復雜鍛造和熱處理結合的方式。比如Ti62222合金，為了獲得拉伸性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展速率較好的綜合性能匹配，采用三重處理制度：第一重，Tβ+28℃/0.5hFC或AC，以20～67℃/min冷卻速率冷卻到482℃；第二重，Tβ-39℃/1hAC或FC；第三重，在538℃/8h AC。三重處理后的性能為σb=1034MPa，σ0.2=931MPa,δ=6%，Ψ=42%～48%，KIC=77MPa·m1/2。而針對Ti17合金，雙態區鍛造后也采用雙固溶+時效的熱處理工藝，獲得一種綜合的組織狀態。對于新型的高強韌鈦合金Ti5553，通過雙重時效處理調整時效α相的析出位置和形態，最終獲得最優的綜合力學性能。

對高強韌鈦合金組織設計最典型的例子是近β、準β和鍛后水冷技術的提出和綜合應用，近β鍛造在高強韌鈦合金應用的思路是在雙態組織的基礎上進一步降低和細化初生等軸α相的含量，同時增加次生條狀α和時效α，得到一種混合組織，這種組織在不明顯降低合金塑性的基礎上，通過增加次生條狀α、時效α和時效β來提高合金的韌性和抗疲勞裂紋擴展能力。而準β鍛造工藝的提出，也是基于網籃組織具有最優異的綜合力學性能。雖然在各項性能指標中網籃組織都不是最優秀的，但對所有的性能，網籃組織都是較優或中等的（見表1)，因此在要求綜合的力學性能指標時，網籃組織是一種最優的組織，為了構造這種組織，提出了準β鍛造工藝。同時，鍛后水冷技術也主要是針對高強韌鈦合金，通過水冷細化片層和條狀α，提高合金的斷裂韌性和抗裂紋擴展能力。