热处理对氢化TC4合金搅拌摩擦加工微观结构演变机制的影响研究

本研究针对TC4合金搅拌摩擦加工(FSP)中存在的变形抗力大、搅拌工具寿命短等问题，通过氢化处理(0.37wt.%H)降低加工难度，并结合三种后热处理工艺（脱氢、固溶-脱氢、固溶-时效-脱氢）显著提升材料力学性能，最高抗拉强度达1268.2 MPa，为拓展钛合金FSP应用提供理论依据。

　　

近年来，钛合金因其优异的性能在航空航天、生物医疗等领域得到广泛应用，但传统的加工方式面临高成本、低效率的困境。搅拌摩擦加工（Friction Stir Processing, FSP）作为一种新兴的固态加工技术，能够通过剧烈塑性变形细化晶粒、改善微观结构，从而提升材料的力学性能。然而，TC4合金（Ti-6Al-4V）在FSP过程中存在两大难题：一是变形抗力大，导致加工困难；二是搅拌工具通常采用昂贵的W25Re合金，寿命短、成本高。这些问题严重限制了FSP技术在钛合金中的推广应用。

为了突破这一瓶颈，南京工业大学的科研团队开展了一项创新研究。他们尝试在TC4合金中引入氢元素，利用氢的“临时合金化”效应降低材料的变形抗力，从而延长搅拌工具寿命并提升加工效率。但氢的引入会带来氢脆问题，导致力学性能下降。因此，研究团队进一步设计了三类后热处理工艺以消除氢的不利影响，包括单纯脱氢处理（方案1）、固溶-脱氢处理（方案2）和固溶-时效-脱氢处理（方案3），系统探讨了不同处理路径对材料微观结构和力学性能的影响。该研究成果发表于《Materials Characterization》，为氢化钛合金的FSP加工与后续处理提供了重要的理论和实验依据。

在研究过程中，作者主要采用了以下几项关键技术方法：首先制备TC4–0.37wt.%H氢化合金，并实施FSP加工；利用金相显微镜、扫描电镜及拉伸试验等手段分析微观组织和力学性能；针对三种不同热处理方案（脱氢、固溶-脱氢、固溶-时效-脱氢）进行对比研究；所有试样均来源于实验室自制，未使用外部样本队列。

研究结果主要包括以下几个方面：

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  微观结构演变机制：
  氢的添加显著降低了TC4合金的流动应力，促进了动态再结晶过程，使得FSP加工后的组织更均匀、晶粒更细小。然而，残留氢会导致β相稳定性和氢化物形成，恶化材料塑性。
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  力学性能变化：
  含氢状态的试样抗拉强度仅为546.5 MPa，延伸率极低。经过方案1（脱氢处理）后，强度大幅提升至1023.9 MPa，但塑性未见明显改善。方案2（固溶-脱氢）使延伸率提高至10%，而方案3（固溶-时效-脱氢）获得了最优的综合性能，抗拉强度达到1268.2 MPa。
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  热处理工艺的影响：
  不同的后处理路径显著影响α′马氏体、β相和次生α相等微观相的组成与分布。方案3通过时效处理进一步强化了材料，同时脱氢处理有效去除了残留氢，避免了氢脆。

研究结论表明，氢化处理结合FSP可有效降低TC4合金的加工难度，而后续适当的热处理能够大幅恢复甚至提升材料的力学性能。特别是“固溶-时效-脱氢”方案在提升强度的同时保持了良好塑性，为钛合金搅拌摩擦加工的工业化应用提供了新思路。该研究不仅深化了对氢化钛合金微观演变机制的理解，也为多级热处理调控FSPed钛合金组织性能奠定了理论基础，具有重要的工程指导价值。