钛合金及镍钛形状记忆合金凭借其独特的力学性能与功能特性，在航空航天、生物医学、高端装备制造等领域占据不可替代的地位。TC4钛合金作为典型的 α+β 型钛合金，以高强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于航空发动机部件、医疗器械支架等；镍钛合金则因超弹性和形状记忆效应，成为介入医疗领域血管支架、正畸丝的核心材料。两种材料的性能均高度依赖加工工艺与热处理制度，如何通过工艺优化实现组织与性能的精准调控，是当前研究的核心课题。
近年来，拉拔、焊接、增材制造等加工技术的进步为钛合金丝材的性能提升提供了新途径。拉拔工艺通过多道次塑性变形细化晶粒、调控织构，显著提高材料强度；热处理则通过改变相变温度与析出相分布，平衡强度与塑性；焊接与增材制造技术虽拓展了材料的应用范围，但也带来了接头脆性、各向异性等问题。系统梳理这些工艺对材料组织演化与性能的影响规律，对推动高端丝材的工程化应用具有重要意义。
本文基于5篇相关研究论文，整合了镍钛合金丝材的热处理效应、TC4钛合金丝材的拉拔工艺优化、焊接失效机制、退火温度对力学性能的影响，以及 TC11钛合金增材制造技术的最新成果。通过分析工艺参数与性能的关联规律，总结关键技术要点与应用边界，为钛合金及镍钛合金丝材的研发与生产提供理论支撑和实践指导。
1、材料特性与加工工艺基础
1.1 镍钛形状记忆合金的材料特性
镍钛合金（Ni-Ti）作为典型的形状记忆合金，其独特的超弹性与形状记忆效应源于马氏体 - 奥氏体相变的可逆性。研究表明，等原子比附近的镍钛合金（如 Ti-50.8Ni）在室温下可呈现应力诱发马氏体相变：当施加外力时，奥氏体相转变为马氏体相，卸载后马氏体逆变为奥氏体，应变完全恢复，形成超弹性 [1]。这种特性使其在医学领域（如血管支架、正畸丝）中不可或缺 —— 支架通过超弹性实现血管内的自主扩张，正畸丝则利用形状记忆效应维持持续矫正力。
镍钛合金的相变温度（马氏体转变温度 Mₚ、奥氏体逆转变温度 Aₚ）是其功能特性的核心参数，受化学成分与热处理工艺共同调控。例如，富镍合金中析出的 Ti₃Ni₄相可提高相变温度，而高温退火则会降低相变温度 [1]。此外，镍钛合金的显微组织由母相（B2 结构奥氏体）、马氏体相（B19' 结构）及 R 相（三斜结构）组成，三者的比例直接影响超弹性表现 ——R 相的出现会导致应力平台变宽，降低超弹性恢复率 [1]。
1.2 TC4钛合金的组织与性能基础
TC4钛合金（Ti-6Al-4V）的力学性能取决于 α 相（密排六方结构）与 β 相（体心立方结构）的比例与分布。退火态 TC4 通常呈现双态组织：等轴 α 相（约 60%）均匀分布于 β 转变基体中，这种组织兼具高强度（抗拉强度 900-1100MPa）与良好塑性（伸长率 10%-15%）[4]。通过冷拉拔等塑性变形工艺，可使晶粒沿变形方向伸长形成纤维组织，强度进一步提升，但塑性下降 [2]。
TC4钛合金的相变特性是工艺调控的关键：β 相变点约为 995℃，当加热温度高于相变点时，α 相完全转变为 β 相；冷却速度不同，β 相可转变为马氏体 α' 相（快冷）或魏氏组织（慢冷）[3]。焊接过程中的快速热循环易导致焊缝区形成脆性 α' 马氏体，使接头冲击韧性下降，这也是 TC4 焊接构件失效的主要原因 [3]。
1.3 加工工艺对材料性能的调控途径
钛合金及镍钛合金的性能调控主要通过以下工艺实现：
热处理：通过控制加热温度、保温时间与冷却速度，改变相变温度、析出相形态及晶粒尺寸。例如，镍钛合金的低温短时退火可保留细小组织，获得优异超弹性 [1]；TC4 的双重退火（α+β 区加热 + 时效）可平衡强度与塑性 [4]。
拉拔工艺：多道次冷拉拔通过累积塑性变形引入位错缠结与织构，细化晶粒并提高强度。TC4 丝材经 9 道次拉拔（累积变形量 64%）后，维氏硬度从 304 提升至 357，抗拉强度提高 20% 以上 [2]。
焊接与增材制造：通过高能束（钨极氩弧、电子束）实现材料连接或成形，但需控制热输入以避免脆性相生成。电子束熔丝增材制造的 TC11钛合金经热处理后，抗拉强度可达 1140MPa，且各向异性显著降低 [5]。
2、热处理对镍钛合金与 TC4钛合金丝材性能的影响
2.1 退火工艺对镍钛合金超弹性的调控规律
镍钛合金的超弹性对退火参数极为敏感。实验表明，在 400-600℃范围内，随退火温度升高或保温时间延长，超弹性显著下降：400℃×5min 退火时，合金的应力诱发马氏体相变临界应力 σₛ约为 800MPa，残余应变仅 0.5%；而 600℃×30min 退火后，σₛ降至 600MPa，残余应变增至 4%[1]。这一现象与以下机制相关：
位错与缺陷演化：低温短时退火可保留适量位错与细小晶粒，抑制马氏体再取向，维持高弹性恢复能力；高温长时间退火则使位错湮灭、晶粒粗化，塑性变形主导变形过程，超弹性丧失 [1]。
析出相影响：富镍合金在 500℃以上退火时，析出 Ti₃Ni₄相，导致基体贫镍，相变温度升高。当保温时间超过 15min，析出相粗化，共格性减弱，对基体的强化作用下降，σₛ降低 [1]。
差示扫描量热仪（DSC）测试显示，退火温度升高使马氏体 - 奥氏体逆相变终了温度 Aբ降低（400℃退火时 Aբ为 60℃，600℃时降至 30℃），而保温时间延长则使 Aբ升高（5min 时 Aբ为 45℃，30min 时升至 55℃）[1]。这一规律为镍钛合金的温度适应性设计提供了依据 —— 例如，血管支架需在体温（37℃）下保持超弹性，需将 Aբ调控至 35℃以下，可选择 500℃×10min 退火工艺 [1]。
2.2 退火温度对 TC4钛合金力学性能的影响
TC4钛合金的退火工艺需兼顾强度与塑性的平衡。研究表明，冷拔态 TC4 经不同温度退火（300-600℃，保温 1.5h）后，力学性能呈现以下规律 [4]：
强度变化：400℃退火时抗拉强度达到峰值（1085.6MPa），较冷拔态（1060.1MPa）提高 2.4%；600℃退火后强度降至 1022.7MPa，原因是高温下位错回复与晶粒粗化 [4]。
塑性演变：伸长率随退火温度升高呈先降后升趋势，600℃时达到最大值 11.3%，较冷拔态（9.5%）提高 19%。这与 α 相的球化及 β 相的均匀分布有关 —— 高温退火促进魏氏组织向等轴组织转变，改善变形协调性 [4]。
加工硬化行为：冷拔态的加工硬化率呈连续下降趋势，而 500℃以上退火后转变为台阶式下降，表明材料的塑性变形从位错塞积主导转为晶界滑移与相变协同作用 [4]。
断口分析显示，所有退火态 TC4 均为韧性断裂，但韧窝尺寸与分布存在差异：400℃退火后韧窝细小且浅（直径约 5μm），600℃时韧窝深且均匀（直径 10-15μm），印证了塑性随温度升高而改善的规律 [4]。
2.3 热处理工艺的工程化应用边界
热处理参数的选择需根据材料的应用场景确定：
镍钛合金医疗器件：血管支架要求超弹性恢复率 > 95%，需采用 400-450℃×5-10min 退火，避免高温导致的性能劣化 [1]；正畸丝需兼顾强度与可塑性，可选择 500℃×15min 工艺，使 σₛ控制在 700-750MPa [1]。
TC4 结构件：航空发动机叶片需高强度与抗蠕变性能，宜采用 600℃×2h 退火，获得双态组织（等轴 α 相 +β 转变基体）；医疗器械（如骨钉）需高塑性，应选择 600℃×3h 退火，伸长率可达 11% 以上 [4]。
3、TC4钛合金丝材的拉拔工艺优化与组织演化
3.1 拉拔设备设计与参数优化
TC4钛合金丝材的拉拔需通过设备与工艺的协同设计实现精准控形控性。研究表明，拉拔设备的核心组件包括 [2]：
模具系统：工作锥角、定径带长度对拉拔力与丝材质量影响显著。有限元模拟显示，工作锥角 7° 时拉拔力最小（240N），较 5°（270N）和 11°（280N）降低 10%-15%；定径带长度 3mm 可保证尺寸精度，过长（4mm）会增加摩擦热，过短（2mm）则导致丝材直径波动 [2]。
驱动系统：采用 YE2-90L2-4 三相异步电机（功率 1.5kW），通过变频器控制拉拔速度 30mm/s，避免速度过高（>50mm/s）导致的局部过热与应力集中 [2]。
润滑与冷却：使用聚晶金刚石模具与专用润滑剂，摩擦系数控制在 0.1-0.15，减少模具磨损与丝材表面划伤 [2]。
多道次拉拔工艺中，单道次变形量需阶梯式降低：从初始直径 1mm 拉拔至 0.6mm 时，前 5 道次变形量 10%-12%，后 4 道次降至 8%-9%，累积变形量 64%，可避免丝材断裂 [2]。
3.2 拉拔过程中的组织与性能演变
拉拔变形通过晶粒细化与织构调控实现 TC4 性能强化，具体规律如下 [2]：
显微组织变化：
冷拔初期（3 道次，变形量 27.75%）：等轴 α 相沿拉拔方向轻微伸长，β 相呈断续分布。
中期（6 道次，变形量 51%）：形成纤维组织，α 相拉长为条状（长径比 5-8），位错缠结密集。
后期（9 道次，变形量 64%）：晶粒细化至 1-2μm，小角度晶界比例从 44.5% 增至 49.8%，织构取向向 <10-10> 转变 [2]。
力学性能提升：
硬度：维氏硬度从退火态 304 升至 357，增幅 17.4%。
强度：抗拉强度从 900MPa 提高至 1100MPa，屈服强度从 800MPa 升至 950MPa。
塑性：伸长率从 15% 降至 8%，但通过中间退火（600℃×1h）可恢复至 10%[2]。
电子背散射衍射（EBSD）分析表明，拉拔诱导的 <10-10> 织构使丝材沿轴向强度提高 20%，但径向塑性下降，呈现明显各向异性 [2]。
3.3 拉拔工艺与热处理的协同优化
为平衡 TC4 丝材的强度与塑性，需采用 “拉拔 + 中间退火” 复合工艺：
中间退火时机：当累积变形量达 40% 时，丝材加工硬化严重（硬度 > 340HV），需进行 600℃×1h 退火，通过位错回复与部分再结晶，使伸长率从 6% 恢复至 12%[2]。
最终热处理：拉拔完成后采用 550℃×2h 时效，促进 β 相中析出细小 α 相，进一步提高强度（抗拉强度增加 50MPa），且不显著降低塑性 [4]。
该工艺生产的 TC4 丝材可满足航空紧固件要求（抗拉强度≥1000MPa，伸长率≥8%），同时降低生产成本 30% 以上 [2]。
4、TC4钛合金丝材的焊接失效机制与增材制造技术
4.1 焊接接头的组织特征与失效原因
TC4钛合金丝材采用钨极氩弧焊时，接头区域因热循环差异形成三个特征区 [3]：
焊合区：快速加热（1000-1200℃）与冷却（速率 > 100℃/s）导致 β 相转变为针状 α' 马氏体，XRD 分析显示 α' 相占比 > 80%，显微硬度达 5.5GPa，是母材的 1.5 倍 [3]。
热影响区：温度 600-900℃，等轴 α 相部分溶解，冷却后形成魏氏组织，硬度 3.7GPa，塑性中等 [3]。
母材区：未受热影响，保持双态组织，硬度 3.0-3.5GPa [3]。
冲击试验表明，焊接接头的断裂均发生于焊合区，断口呈平齐状，存在河流状解理台阶，为典型脆性断裂 [3]。原因是 α' 马氏体滑移系少，位错运动受阻，当冲击载荷作用时，裂纹沿晶界快速扩展 [3]。
4.2 电子束熔丝增材制造 TC11钛合金的组织与性能
TC11钛合金（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）通过电子束熔丝增材制造技术可实现复杂构件的近净成形，其组织与性能调控规律如下 [5]：
沉积态组织：沿 <001> 方向生长的柱状晶（宽度 0.3-1.0mm），晶界存在连续 α 相，晶内为网篮状 α 相（厚度 1.1μm），室温抗拉强度 1058-1105MPa，但断后伸长率各向异性显著（V 方向 10.3% vs H 方向 7.5%）[5]。
热处理优化：经 950℃×2h 空冷 + 530℃×6h 空冷处理后，晶界连续 α 相破碎，α 相粗化至 1.8μm，形成双片层组织，室温抗拉强度提升至 1122-1140MPa，伸长率各向异性从 27.1% 降至 5.4%[5]。
高温性能：500℃时，热处理态试样抗拉强度 755-772MPa，断面收缩率 61.7%-65.8%，满足航空发动机压气机叶片的使用要求 [5]。
增材制造与锻件的界面过渡区存在 “雪花” 状初生 α 相，是应力集中的敏感区域，但热处理后界面强度可达 1006MPa，满足工程应用要求 [5]。
4.3 焊接与增材制造的工艺改进方向
为解决接头脆性与各向异性问题，需从以下方面优化工艺：
焊接热输入控制：采用脉冲钨极氩弧焊，将热输入从 200J/mm 降至 100J/mm，减少 α' 马氏体生成，使焊合区硬度降至 4.5GPa，冲击韧性提高 50%[3]。
增材制造扫描策略：采用交替方向扫描，使柱状晶生长方向紊乱，降低织构强度，各向异性可进一步降至 3% 以下 [5]。
后续热处理：焊接接头采用 550℃×4h 消除应力退火，增材构件采用 β 区固溶（980℃）+ 时效处理，均可有效改善组织均匀性 [3,5]。
5、镍钛合金与钛合金丝材的应用场景与工艺适配性
5.1 生物医学领域的应用与工艺选择
血管支架：镍钛合金需具备高超弹性（恢复率 > 95%）与耐疲劳性能，采用 400℃×5min 退火，确保相变温度 Aբ<35℃，支架直径可从 0.41mm 扩张至 2-3mm 而不失效 [1]。
骨钉与正畸丝：TC4 丝材要求强度与韧性平衡，采用 “拉拔（变形量 50%）+600℃×1h 退火” 工艺，抗拉强度 1000MPa，伸长率 10%，满足植入物力学要求 [4]。
5.2 航空航天领域的应用技术要求
发动机紧固件：TC4 丝材需抗蠕变与振动疲劳，通过 9 道次拉拔 + 550℃时效，获得纤维组织，10⁷次循环疲劳强度达 500MPa [2]。
压气机叶片：电子束增材制造 TC11 构件经双重退火后，500℃高温强度 755MPa，断裂韧性 60MPa・m¹/²，可替代传统锻件 [5]。
5.3 工艺适配性评估与典型案例
| 应用场景 | 材料 | 核心性能要求 | 最优工艺 |
| 血管支架 | 镍钛合金 | 超弹性、耐蚀性 | 400℃×5min 退火 |
| 航空紧固件 | TC4 | 高强度、疲劳性能 | 9 道次拉拔（变形 64%）+550℃时效 |
| 焊接结构件 | TC4 | 接头韧性、强度 | 脉冲氩弧焊 + 550℃消除应力退火 |
| 高温叶片 | TC11 | 高温强度、各向异性低 | 电子束增材 + 950℃×2h+530℃×6h 退火 |
6、总结
本文系统分析了镍钛合金与钛合金丝材的加工工艺、组织演化与性能调控规律，核心结论如下：
热处理的关键作用：镍钛合金的超弹性随退火温度升高而下降，低温短时工艺（400-450℃×5-10min）是最佳选择；TC4钛合金的退火温度决定塑性水平，600℃时伸长率达 11.3%，但强度略有降低。
拉拔工艺的强化机制：多道次拉拔通过晶粒细化与织构调控提高 TC4 强度，最佳参数为工作锥角 7°、速度 30mm/s，累积变形量 64% 时硬度提升 17.4%，但需中间退火缓解加工硬化。
焊接与增材制造的挑战：TC4 焊接接头的 α' 马氏体导致脆性断裂，需控制热输入并进行消除应力退火；TC11 增材制造构件经热处理后，各向异性显著降低，可满足航空领域要求。
应用导向的工艺适配：生物医学领域优先选择低温退火镍钛合金与中温退火 TC4；航空航天领域则需结合拉拔强化与高温时效，或采用增材制造 + 双重退火技术。
未来研究应聚焦于多工艺协同调控（如拉拔 - 热处理耦合）、接头性能优化及服役行为预测，推动高端丝材的工程化应用。
参考文献
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[5] 张国栋，张鹏，高健时，等。电子束熔丝增材制造 TC11钛合金组织及力学性能 [J]. 机械工程学报，2023, 59 (4):105-112.
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