钛合金凭借比强度高、耐蚀性优异、高温性能稳定等特点，已成为航空航天、舰船、核电等高端装备领域的关键结构材料。其中，钛合金棒材作为承力构件的基础形态，其性能直接决定了终端产品的可靠性与服役寿命。近年来，随着新一代航空发动机、航天器对材料性能要求的提升，钛合金棒材的制备工艺优化、性能调控及标准化工作成为研究热点。
我国钛合金棒材产业已形成从熔炼、锻造到表面处理的完整产业链，宝钛集团、宝鸡钛业等企业在TC4、TA15等主流牌号上实现了规模化生产。然而，高端产品如高温钛合金棒材仍面临工艺稳定性不足、性能波动大等问题，部分关键指标与国际先进水平存在差距。激光冲击强化、精密锻造等先进工艺的应用为性能提升提供了新途径，而GB/T38917-2020等标准的实施则为产业规范化发展奠定了基础。
宝鸡凯泽金属系统整合钛合金棒材的制备工艺、性能表征及标准要求，重点分析锻造工艺与激光冲击强化对组织性能的影响，结合国家标准探讨质量控制要点，为高性能钛合金棒材的研发与应用提供参考。
一、钛合金棒材的制备工艺及组织调控
（一）锻造工艺：组织细化与性能优化的核心环节
锻造是钛合金棒材成形与组织调控的关键工序，通过控制变形温度、变形量及冷却速率，可实现对晶粒尺寸、相组成的精准调控。针对BTi62钛合金（Ti-Al-Mo系近α型合金）的研究表明，不同锻造工艺对组织与性能的影响显著：
β锻造工艺（工艺1）采用“相变点以上开坯+相变点以下精锻”的两步法：铸锭经1200℃开坯后，在β相变点（1000~1020℃）以上30~50℃进行多火次中间锻造，获得φ80mm中间坯；最终在相变点以下30~50℃完成成品锻造（变形量88%），得到φ27.5mm棒材。该工艺下，粗大的魏氏组织被彻底破碎，形成β基体上均匀分布的片状α与少量等轴α组织（图1a），室温屈服强度达920MPa，延伸率17%，高温（400℃）抗拉强度610MPa，断面收缩率65%。
α+β两相区锻造工艺（工艺2）全程在相变点以下30~50℃进行，中间坯与成品锻造均未超过β相变点，组织以等轴α相为主。其室温抗拉强度略高于工艺1（965MPavs940MPa），但延伸率较低（15%vs17%），且高温强度稍逊（590MPavs610MPa）。
工艺对比显示，β锻造工艺因变形温度高、抗力小，锻造火次减少30%，生产效率显著提升，更适合规模化生产。此外，该工艺所得棒材的强塑性匹配更优，尤其高温性能优势明显，满足航空发动机叶片等高温承力构件的需求。
（二）激光冲击强化：表面改性与疲劳性能调控
激光冲击强化（LSP）作为一种新型表面改性技术，通过高功率密度（GW/cm²级）、短脉冲（ns级）激光诱导的冲击波在材料表层引入残余压应力，可显著提升疲劳寿命与抗腐蚀性能。对TC4-DT钛合金棒件的研究表明，LSP工艺参数对残余应力分布及疲劳性能影响显著：
残余应力场分布有限元模拟（ABAQUS）显示，激光冲击后棒件表面形成深度0.15~1.15mm的残余压应力层，峰值压力从3GPa增至8GPa时，表面压应力从44MPa升至678MPa，压应力层深度从0.15mm增至1.15mm。同时，内部产生拉应力，最大值从31MPa增至142MPa，且拉应力区域面积约为压应力层的5~8倍。
疲劳性能变化拉-拉疲劳试验（应力比R=0.1，频率40Hz）表明，未冲击试样寿命约68万次，而经8.7GW/cm²、24GW/cm²、61.5GW/cm²冲击后，寿命分别降至18.8万次、20万次、3.9万次，呈现“负增益”现象。断口分析显示，冲击后疲劳裂纹源从表面转移至内部最大拉应力区，且随冲击功率升高，裂纹源深度从2.04mm增至4.11mm。
这一现象源于内部拉应力与外加载荷的叠加效应，加速了裂纹扩展。因此，LSP对钛合金棒材的适用性需结合服役工况：对承受弯曲或扭转载荷的构件（表面受拉），LSP可发挥压应力的保护作用；而对轴向拉伸为主的构件，需谨慎使用或优化工艺参数。
二、钛合金棒材的性能表征与服役行为
（一）力学性能的多维度评价
钛合金棒材的力学性能需从室温、高温及持久性能多维度评估，不同牌号与工艺的差异显著：
室温性能按GB/T38917-2020，TC4棒材（直径12~150mm）要求抗拉强度≥895MPa，屈服强度≥825MPa，延伸率≥9%。实际测试中，β锻造的BTi62棒材抗拉强度940~955MPa，屈服强度920~925MPa，延伸率17%~19%，优于TC4标准，且断面收缩率达51%，显示优异的塑性储备。
高温性能400℃时，BTi62工艺1的抗拉强度600~610MPa，屈服强度510MPa，远高于TC4的标准要求（≥600MPa）。TA15合金在500℃时抗拉强度≥570MPa，持久性能（470MPa载荷下）≥50h，满足发动机机匣等部件的高温服役需求。
疲劳性能TC4-DT棒材的疲劳极限（10⁷次）约为600MPa，经优化的β锻造工艺可提升10%~15%。但需注意，激光冲击等表面处理可能导致疲劳性能波动，需通过工艺参数匹配实现性能增益。
（二）微观组织与性能的关联机制
组织特征是决定钛合金性能的核心因素，主要表现为：
晶粒尺寸与形态β锻造工艺通过高温变形与动态再结晶，使BTi62的α相晶粒细化至5~10μm，且分布均匀，相比两相区锻造的15~20μm晶粒，强度提升5%~8%，塑性提高15%~20%。
相组成与分布TC4合金中的α相（HCP结构）与β相（BCC结构）比例约为7:3，经800℃退火后，α相呈等轴状，β相沿晶界连续分布，保证了良好的强塑性平衡。而BTi62因Mo元素的β稳定作用，β相比例提高至40%，高温稳定性更优。
残余应力的影响激光冲击引入的表面压应力可抑制裂纹萌生，但内部拉应力可能成为裂纹扩展的驱动力。对TC4-DT的研究表明，当表面压应力≥400MPa且内部拉应力≤100MPa时，可实现疲劳寿命正增益（提升20%~30%）。
三、航空航天用钛合金棒材的标准化要求
GB/T38917-2020《航空航天用高温钛合金棒材》为钛合金棒材的生产与检验提供了规范，核心要求包括：
（一）材料与熔炼
铸锭要求至少经两次熔炼，最后一次必须采用真空自耗电弧炉，首次可采用电子束冷床炉或等离子束冷床炉。自耗电极禁止使用钨极氩弧焊焊接，避免钨污染。
化学成分需符合GB/T3620.1，允许偏差按GB/T3620.2，如TC4中Al含量5.5%~6.8%，V含量3.5%~4.5%，Fe≤0.30%。
（二）力学性能指标
室温性能不同牌号差异显著：
TA7（直径12~100mm）：抗拉强度≥785MPa，屈服强度≥700MPa，延伸率≥10%
TC17：抗拉强度≥1120MPa，屈服强度≥1030MPa，延伸率≥7%
高温性能TC11在500℃时抗拉强度≥685MPa，持久性能（640MPa载荷）≥35h；TA33在600℃时抗拉强度≥600MPa，持久性能（310MPa载荷）≥100h。
（三）质量控制与检验
超声检测直径12~60mm棒材按A1级验收，60~150mm按A级，>150mm按B级（GB/T5193）。
组织要求低倍组织不允许有裂纹、缩尾、夹杂；高倍组织无完整原始β晶界，TA7应为等轴α或混合组织，其他牌号为两相区加工组织。
尺寸偏差直径12~100mm允许±1.0mm，100~150mm±2.0mm，>250mm±4.0mm，平直度≤5mm/m。
四、工艺-性能-标准的协同优化路径
（一）工艺参数的精准调控
锻造工艺优化
对近α型合金（如BTi62、TA15），优先采用β锻造工艺，控制开坯温度在相变点以上50℃，精锻温度在相变点以下30℃，变形量≥80%，以实现晶粒细化与相分布均匀。
对α+β型合金（如TC4、TC11），可采用“β开坯+α+β精锻”复合工艺，兼顾强度与塑性。
激光冲击工艺适配
针对承受弯曲载荷的棒材（如传动轴），采用中等功率密度（5~10GW/cm²）冲击，形成0.5~0.8mm压应力层，避免内部拉应力过高。
冲击路径采用50%搭接率，减少应力突变，降低裂纹萌生风险。
（二）性能波动的控制策略
成分均匀性控制采用三次真空自耗熔炼，使合金元素偏析度≤5%，气体杂质（O、N、H）总量≤0.15%。
组织一致性保障通过等温锻造（保持温度波动≤±10℃）与在线显微组织监测，确保批量化生产中晶粒尺寸偏差≤20%。
残余应力调控激光冲击后增加去应力退火（500℃×1h），可使内部拉应力降低30%~40%，缓解疲劳性能恶化。
（三）标准化与产业协同
标准的动态更新结合新型合金（如TC25、TA33）的研发进展，补充高温持久、疲劳性能等指标，完善检验方法。
产学研用联动建立“企业-研究院-用户”联合验证平台，如宝钛集团与中国航发黎明合作开展TC11棒材的发动机台架试验，加速成果转化。
工艺数据库建设整合不同牌号、规格棒材的工艺-性能数据，形成数字化模型，为智能化生产提供支撑。
全文总结
钛合金棒材的制备工艺、性能调控与标准化是推动其在高端装备领域应用的三大支柱。锻造工艺通过β相变点上下的温度控制，实现了组织细化与性能优化，其中β锻造工艺在效率与高温性能上优势显著；激光冲击强化作为表面改性技术，其应用需结合服役载荷类型，避免内部拉应力导致的疲劳性能退化；GB/T38917-2020等标准的实施，为质量控制提供了统一规范，但其指标体系仍需随新材料研发动态完善。
未来发展应聚焦三方面：一是开发精准控温的智能化锻造装备，提升工艺稳定性；二是研究残余应力的多场耦合调控机制，实现激光冲击的性能正增益；三是构建“材料-工艺-性能-标准”一体化体系，推动钛合金棒材向更高强度、更长寿命、更宽温度范围发展。通过工艺创新与标准化协同，我国钛合金棒材产业将逐步实现从“跟跑”到“领跑”的跨越，为航空航天等战略领域提供坚实的材料支撑。
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