TC4钛合金紧固件热处理工艺优化及其性能调控机理研究

本研究针对TC4钛合金紧固件热处理工艺局限性，通过分子动力学模拟与实验验证相结合，创新性地引入中途氧注入机制，系统探究了四种差异化热处理方式对材料力学性能、微观组织及表面颜色的影响规律，为高端装备关键部件性能调控提供了新思路。

　　

随着航空航天、船舶制造、生物医疗等高技术领域的飞速发展，对关键部件材料的性能要求日益严苛。钛合金因其高比强度、低密度和优良的耐腐蚀性，成为紧固件等重要结构件的理想选择。其中，Ti-6Al-4V（TC4）作为一种α+β双相钛合金，因其优异的综合性能，在钛合金产品市场中占据半壁江山，尤其在航空航天紧固件领域逐渐替代钢和镍基材料。然而，传统热处理工艺存在局限性，难以满足多样化需求，如何通过工艺创新精准调控TC4合金的微观组织和力学性能，成为当前材料科学与工程领域亟待解决的关键问题。

为此，研究人员在《Materials Reports: Energy》上发表了题为“Research on the influence of different heat treatment methods on the performance of titanium alloy (TC4) fasteners”的研究论文。该研究立足于实际工程应用背景，旨在深入探究不同热处理工艺对TC4钛合金紧固件性能的影响机制，为工艺优化和性能提升提供理论依据和实验支撑。

为了系统回答上述问题，研究团队综合运用了分子动力学模拟与实验验证相结合的研究策略。关键技术方法包括：首先，利用LAMMPS软件构建了Ti-Al-V-O四元合金体系模型，采用MEAM-LJ混合势函数描述原子间相互作用，并创新性地在热处理过程的冷却阶段引入了中途氧注入机制，以模拟实际条件下氧化层的形成过程；其次，设计了四种差异化的热处理方案（常规热处理、加挡板热处理、加保温层热处理以及挡板与保温层协同热处理），并在双室真空水淬炉中严格按照统一的工艺参数（如升温速率、保温温度960°C、保温时间55分钟等）执行；第三，对热处理后的试样进行了全面的性能测试，包括室温拉伸、剪切、硬度、疲劳测试，并利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）等手段观察分析了微观组织结构、断口形貌、氧化层成分及厚度；最后，通过径向分布函数（RDF）分析，从原子尺度揭示了不同热处理工艺对Ti-O、O-O键合环境的影响，从而建立了工艺参数-氧化层厚度-性能表现之间的内在联系。

研究结果主要从力学性能、微观形貌和模拟计算三个方面展开：

3.1. 力学性能

拉伸和硬度性能结果表明，加挡板热处理试样的屈服强度（651±6.56 MPa）和抗拉强度（1130±15.10 MPa）最高，但伸长率（14.83±4.01%）较低，表现出“高强度、低塑性”特征；而常规热处理试样则具有最优的塑性（伸长率17.5±3.12%）和最高的硬度（369.85±4.73 HV）。剪切性能测试显示，加保温层热处理显著提高了材料的剪切强度（710.93 MPa），比未热处理和常规热处理分别提高了5.53%和5.32%。疲劳性能测试则表明，常规热处理试样的疲劳寿命最长（69.2×10³次），而加保温层热处理严重劣化了材料的疲劳性能（寿命仅为40.3×10³次）。

3.2. 微观形貌

金相分析显示，未热处理的TC4合金由拉长的层片状α相和晶间β相组成，晶粒最细小。热处理后，组织转变为大量等轴α相和少量针状α相。加保温层热处理导致等轴α相聚集呈链状分布，尺寸增大；而加挡板热处理则减轻了相聚集，使组织更稀疏，晶粒略有细化。拉伸断口SEM观察发现，所有试样断口均存在明显的韧窝，呈典型的杯锥状，为微孔聚集型韧性断裂。加挡板热处理的断口可见明显的撕裂棱，呈现典型韧性断裂特征；而加保温层和协同处理的断口则出现解理台阶，呈现脆性断裂倾向。疲劳断口分析表明，常规热处理断口疲劳辉纹最规则，裂纹数量少，疲劳性能最优。

3.3. 分析模拟计算结果

拉伸模拟应力-应变曲线显示，未热处理试样存在显著的初始应力，而热处理后试样应力近乎为零。氧注入模拟结果和径向分布函数（RDF）分析表明，加挡板热处理促进了氧原子的注入，形成了更厚的氧化层（约62 μm），而加保温层热处理则显著抑制了氧化层的生长（厚度仅约3 μm）。同时，加挡板或保温层均能提高氧化层厚度的均匀性。RDF曲线进一步揭示，加挡板热处理后，Ti原子和O原子周围的O原子数量增加，Ti-O和O-O键长缩短；而加保温层热处理后，O原子数量急剧减少，原子间距增大。

综合以上结果，研究在讨论部分深入分析了氧化层厚度对材料颜色和性能的影响机制。表面颜色差异主要源于氧化膜厚度不同引起的光干涉效应：氧化层较薄时呈无色或淡黄色；随着厚度增加，依次呈现淡黄/金色、蓝/紫色、绿/青色；厚度过大时干涉效应减弱，颜色发灰或发暗。能谱分析（EDS）和线扫描结果证实，蓝色表面氧含量（36.03%）显著高于黄色表面（28.26%），且氧化层主要成分为钛的氧化物（如TiO₂、Ti₂O₃、TiO等）。性能方面，氧化层厚度与剪切性能呈负相关，因为Ti-O键能（约672 kJ/mol）远高于TC4合金中的Ti-Ti金属键能（约200 kJ/mol）和O-O键能（约188 kJ/mol）。加保温层热处理形成的薄氧化层中含有更多的Ti-O键，提高了材料整体键能，增强了原子间结合力，从而显著提升了剪切强度；而加挡板热处理形成的厚氧化层中含有大量低键能的O-O键，降低了材料整体键能，虽对强度、塑性有一定提升，但劣化了剪切和疲劳性能。

本研究通过“模拟-实验”闭环验证，阐明了不同热处理工艺（特别是添加挡板或保温层）通过调控氧化层厚度和均匀性，进而影响TC4钛合金紧固件表面颜色和力学性能的内在机理。常规热处理在韧性和疲劳性能方面表现优异；加挡板热处理实现了高强度与良好韧性的结合；而加保温层热处理及其与挡板的协同处理则在剪切性能方面展现出独特优势。该研究不仅为TC4钛合金热处理工艺的优化和性能精准调控提供了重要的理论和实验依据，其创新的中途氧注入模拟方法也为金属材料热加工模拟研究提供了新思路，对推动高端装备关键部件制造技术的发展具有重要的意义。