二、 文獻回顧
2.11 鈦合金熱處理之特性
所謂「熱處理」(Heat Treatment)就是「對材料施以適當的加熱 或冷卻處理，以得所需要之機械性質(或物理性質)為目的的處理」。
對某一種材料而言，雖然它的成份相同，但是施以不同熱處理時，可 以顯著地改變它的組織，而得到不同的機械性質。
Ti-6Al-4V 合金於 1954 年由美國首先研製成功後，由於質輕、
比強度高、耐蝕性佳等優異特性，已廣泛應用在航太及國防工業上。
此合金之組織結構及機械性質對熱處理之加熱溫度及冷卻方式很敏 感，一般而言，β相在熱處理過程中除了極少部分可以殘留至常溫，
其餘將因冷速的不同而發生相的變態，例如可能因水淬火而變態成麻
田散體，也可能因空冷而變態成惠德曼組織，更可能因緩慢冷卻而生 成粗大晶粒，然而無論是那一種情況，都將使材料本身喪失了細而且 等軸的超塑性顯微組織特徵，如圖 4 及表 8 所示〔24,26〕，因而熱處 理條件的不同，對於此合金之機械性質、破裂韌性、疲勞強度及高溫 抗潛變能力等有很大之影響。
鈦合金之熱處理乃由於高溫之β相在低溫時為不安定相。α+β 型鈦合金之α與β共存溫度範圍為 760~1000℃，固溶處理須加熱至 該溫度範圍。固溶處理溫度變化時，β相含量及時效效果亦變化；而 且固溶處理後之淬火冷卻速率亦影響合金之強度。鈦合金熱處理時，
加熱於β區域而後急速淬火，由於冷卻速率不同，所得之組織亦不 同，其 TTT 曲線如圖 5 所示。
由β狀況急冷時，因沒有足夠之時間讓合金元素之原子擴散，故 形成過飽和之α相，此種過飽和之α相另以α’作為代號稱呼，亦即 所謂的麻田散組織。純鈦麻田散變態開始溫度(Ms)受冷卻速度影響很 大，冷卻速度越快，Ms 愈往低溫側移動，冷卻速度達到每秒~104℃ 時以上，Ms 就不再發生變化；同時鈦合金中，Ms 之變化亦會受到β 安定元素種類及量之影響，即β安定元素添加量愈多，Ms 溫度亦往 低溫側移動，如以週期表之元素分類歸納其對 Ms 之影響。又當 Ms 之 溫度降低至室溫以下時，則於淬火急冷後會有殘留β發生。鈦合金經 高溫固溶處理及淬火所得之麻田散組織，其硬度之增加並不如碳鋼經 淬火後之大幅度提高〔24〕。但如將鈦之麻田散組織再施以低溫回火，
即時效處埋，可使過飽和之固溶原子析出，以提高其強度及韌性，此 種熱處理過程叫做固溶時效熱處理。
若鈦合金所添加之β型安定元素過量時，則高溫之β相急冷到室溫，
仍會有β相殘留，此殘留之β相屬於非平衡之相，於數百度 C 之溫度 時效時會分解成α相，此時會另有ω之準安定過渡相形成；即β相往 α相變態過程，於 400℃會生成ω相。此ω相相當硬脆，會導致鈦合 金之韌性下降，此種狀態稱為ω脆性。鈦合金熱處理應避免此脆性ω 相之產生，因而鈦合金熱處理時，應避免於 400℃左右時效。當然如 鈦合金之使用環境一定要在 400℃左右時，應設法使之沒有殘留β相 形成。又ω相之形成原因除於 400℃左右時效外，尚有因合金之組成 與濃度變化，使於β區域冷卻途中產生ω相。前者所形成之ω相叫時 效ω相(Aged ω，或稱 Meta-stable ω，Bulk ω，Non-Coherent ω)，而後者稱為麻田散ω相(Martensitic ω，或稱 Diffused ω，
Coherent ω，Athermal ω)。ω相之產生對材料之機械性質有害，
熱處理時採快速淬火急冷及時效時迅速升溫，可避免ω相之生成
〔26〕。
鈦 合 金 之 熱 處 理 因 其 需 求 不 同 ， 而 有 不 同 之 處 理 ； 依 MIL-H-81200A 及 AMS-2801 規範之熱處理方式，如表 9 所示。
圖 4 Ti-6Al-4V 從不同加熱溫度及冷卻方式之金相組織結構〔24〕
表 8 不同熱處理條件下 Ti-6Al-4V 合金之機械性質〔26〕
*Aging in all instances :1000 F (540℃)/4h;
air cool. WQ=water quench, AC=Air cool,FC=Furnace cool.
Beta transus: 1820±F (1000±14℃). All specimens are 5/8 in.diameter bars Source:RMI Co, Niles,Ohio.
1.固溶處理（Solution）：954℃（1750℉）×30~60min,WQ 2.時效處理（Aging）：540℃×4h,AC
3.應力消除（Stress Relief）：593℃×2h,（AC or FC）* 4.全退火（Full Annealing）： 732℃×2h, FC to 593℃, then AC
5.退火（Annealing）：
（1）705~790℃×1~4h,AC or FC （2）704℃×2h,AC or FC
6.真空除氫退火：700~750℃×2h，真空度不得低於 5×10-4 torr
MIL-STD-40002（AT）
1.Anneal：705℃（1300℉）×2h,AC
2.Solution：954℃（1750℉）×1h,WQ（within 10s）
（if in air atmosphere,the furnace should run 12 h prior to loading parts in furnace.）
3.Aging：538℃（1000F）×8h,AC
4.Stress Relief：482℃（900℉）×4h,AC
5.Stress Relief：538℃（1000℉）×2h in vacuum or inert atmosphere,then AC.
*實驗所用設備 Degussa 大真空爐：593℃×2h,Ar 氣淬 1bar(真空度 5×10-4mbar）
圖 5 鈦金屬之 TTT 曲線
就其規範主要之熱處理方式有三種，分述如下：
1.弛力退火(應力消除 Stress Relieving)：
工件經過切削或銲接後，進行應力消除以消除殘留應力。弛力 退火主要目的是在消除加工或銲接所致之殘留應力及恢復降伏強 度而不影響其他機械性質。對鈦及鈦合金而言，施以弛力退火並不 影響原有材料的強度或韌性。如果處理對象之零件在退火狀態下機 械加工，而加工時的機械車削適當且均勻，亦可省略弛力退火。以 Ti-6Al-4V 之α-β型鈦合金為例，如為壓縮機之輪盤時，通常係 加工後即可使用，不必再做弛力退火仍可保持尺寸的安定性。但以
同樣的合金製造薄圓環零件，在製造過程中，很可能因機械切削量 很大，尺寸公差要求很精密，為確保使用時之精度，則必須施以弛 力退火處理。若製程中須退火或時效硬化時，不需另施弛力退火，
例如錘鍛時之殘留應力可由切削前之退火以除去之；最後時效處理 亦可除去部分淬火應力，或除去精削後之殘留應力。
對 鈦 合 金 銲 件 而 言 ， 為 降 低 發 生 裂 縫 的 驅 動 力 (Driving- force)，防止銲接龜裂及使用時應力腐蝕、裂縫擴展的敏感性，同 時也可以改進疲勞強度，大多數在銲接後必須作應力消除處理。如 表 10 為鈦與鈦合金執行應力消除之條件。
然而大多數的β型鈦合金在作銲後時效處理或應力消除時常 會導致時效脆化現象，容易造成銲道或熱影響區延性及韌性惡化，
甚至產生脆裂，此類合金銲後一般不作時效或應力消除，需特別注 意〔24〕。Ti-6Al-4V(α＋β型)在退火狀態或固溶狀態下施行銲 接，銲後應力消除則另具有時效處理之效果。無論是銲接熱裂或冷 裂，應力(拉伸應力)是產生銲裂的必要條件之一，因此降低應力或 減少應力來源均可避免銲接裂縫的發生。對銲接件而言，應力消除 的時機應越快越好(除非應力消除會有不好的效果，如時效脆化 等)，以免應力累積造成裂縫成核及成長。
表 10 鈦與鈦合金應力消除之條件
Alloy ℃ Temperature ℉ Time,h Commercially pure Ti
（all grades） 480 to 595 900 to 1100 1/4 to 4 Alpha or near-α Ti alloys
Ti-5Al-2.5Sn 540 to 650 1000 to 1200 1/4 to 4
弛力退火條件之選擇視加工程度而定，溫度高者保溫時間可短，
溫度低者保溫時間宜增長。弛力溫度須使殘留應力充分除去，並使α +β及β合金不起析出作用；並能使常溫加工硬化之單相合金不發生 再結晶，而保有其加工硬化之強度，殘留應力釋弛是溫度及時間的函 數，一般非β型材料是將工件加熱至 540 to 650℃(1000~1200℉)，
持溫 1/2~4 小時後空冷之，退火狀態之鈦合金 Ti-6Al-4V 室溫回彈 係數非常大(10~20%)，固溶時效狀態下回彈係數更大(20~30%)，均遠 大於一般碳鋼(1~3%)，因此室溫冷作成形性非常差。一般而言，鈦合 金板材室溫冷作成形時，回彈性大，非常不易成形及定型，若能配合 夾具定位並施行應力消除熱處理，則可改善回彈(Spring Back)及翹 曲(Warpage)現象〔24〕。如圖 6 所示。
圖 6 Ti-6Al-4V 應力釋弛的溫度時間和殘留應力之關係圖〔24〕
2.退火處理(Annealing)：
其目的係為了獲得材料最大韌性、高溫結構穩定性及改進切 削性等性質。退火處理主要目的在產生最佳的延展性、韌性、結 構尺寸之穩定性，亦可改善其切削性及加工性，並可獲得高溫時 之組織與尺寸上之安定性，且鈦合金在退火狀態下亦具有相當程 度之強度，故多數鈦合金工件皆在退火狀態下使用。表 11 為鈦與 鈦合金之退火處理條件〔24〕。
α+β相的鈦合金，其熱安定性完全依靠β相的變態。自退火 溫度冷卻不當時，會使β相蛻變為硬脆的ω相。安定化退火的目 的即在使之生成安定的β相，避免高溫使用時再有變化。一般鈦 合金退火方法為加熱到轉變溫度保溫一段時間，然後以每小時約 3
℃之冷卻速度降溫到 540℃左右，再空冷。含少量β之α-β型鈦 合金之退火，如 Ti-6Al-4V，則自退火溫度直接取出空冷。在含少 量β之α型鈦合金中，如 Ti-8Al-1Mo-1V，有時為得到較高抗潛變 及安定性，採用雙重退火(Duplex Annealing Treatment)。首先 加熱到β轉變溫度下約 25~55℃之α+β溫度範圍內保溫，保溫時 間 5 分鐘~1 小時，依實際厚度決定，然後空冷；此種熱處理方法 稱為固溶退火處理(Solution Annealing)。再做安定化退火處理 (Stabilization Annealing)，加熱溫度為 480~705℃。
一般第二次加熱溫度至少應高於使用溫度 55℃以上才行。在 退火時，完全避免變形是相當困難的，尤其薄件之鈦合金，更易 發生變形，因此變形矯直與整型亦是需克服之問題。因鈦及鈦合 在室溫下強度高且冷作加工回彈性很大，矯直與整型較為困難。
一般鈦合金矯直與整型工作皆需採熱作方式或在加溫狀態下行 之，由於鈦合金非常活潑，在高溫時容易氧化、氮化及吸氫脆化 等，因此溫度選擇需適當，若溫度較高時需要實施表面塗層遮護 或氣氛保護措施。在鈦合金材料中，所有素材均應做退火處理，
在退火狀態下鈦合金具良好的熱穩定性，及最大之延展性，但強 度較低，在此狀態下比較容易加工及成型。
表 11 鈦與鈦合金之退火處理條件〔24〕
Alloy ℃ Temperature ℉ Time,h Cooling method
Commercially pure Ti
（all grades） 650 to 760 1200 to1400 1/10 to 2 AC
（a）For sheet and plate,follow by 1/4h at 790℃（1450℉），then air cool.
（b）For sheet,follow by 1/4h at 790℃（1450℉），then air cool（plus 2 h at 595℃
or 1100℉ ,then air cool,in certain application.）For plate follw by 8 h at 595℃
（1100℉），then air cool.
（c）Not normally supplied or used in annealed condition.
（d）Furnace or slow cool to 540℃（1000℉），then air cool.
3.固溶(Solution)及時效(Aging)熱處理：
其目的係為了獲得高強度(韌性仍可以保持允許的程度下)而必 須使用。另淬火冷卻速率對強度的影響亦極大，假使冷卻速率太慢，
則在冷卻期間，不恰當的擴散即可能發生，而影響機械性質。
固溶處理及時效硬化之主要目的，在於提昇鈦合金之性能，增加 鈦合金之強度。純α或純β相之鈦及鈦合金不能以熱處理方法提高其
固溶處理及時效硬化之主要目的，在於提昇鈦合金之性能，增加 鈦合金之強度。純α或純β相之鈦及鈦合金不能以熱處理方法提高其