当在含氧环境中高温暴露时,钛合金表面会元素会与氧发生复杂的物理化学反应而形成氧化物,与此同时形成富氧α层。富氧α层质硬而脆,十分容易在钛合金表面形成细小的裂纹,严重影响零部件的质量,一些零部件的失效往往和富氧α层有关。本文以TA15、TC4和TA2钛合金为研究对象,设置不同的热处理温度和保温时间,探究不同热处理工艺下钛合金表面富氧α层的厚度随着温度和保温时间变化的增长规律,并利用金相法和显微硬度法对富氧α层的厚度进行测定,对比和分析两种方法测定富氧α层厚度的优缺点。研究钛合金富氧α层的金相组织演化,研究富氧α层的形成动力学,得到了富氧α层厚度与加热温度和加热时间的联系。研究了富氧α层对钛合金拉伸性能及断裂机制的影响规律。利用金相法和显微硬度法均可对富氧α层厚度进行表征,结果表明金相法测得的富氧α层厚度小于显微硬度法。显微硬度法能够通过硬度值的不同准确的反映材料组织的变化,进而能够更准确的表征出富氧α层的厚度。对于组织结构单一或富氧程度较轻的组织,金相法误差较大。而对于富氧α层厚度较小的情况,显微硬度法存在无法测厚或误差较大的缺点。三种类型的钛合金富氧α层形成与组织演化过程的研究表明。TA2钛合金表现为α相的粗化和融合。TA15钛合金表现为条状α相的粗化、球化和融合。TC4钛合金表现为双态组织中条状α相的长大、球化和与等轴α相的融合。富氧α层的增厚符合抛物线规律,本文根据实验结果建立了保温温度和保温时间的富氧α层增厚方程。分别计算了三种钛合金在不同保温温度下,氧元素的扩散系数。通过阿累尼乌斯方程,计算了三种钛合金的富氧α层形成的热激活能。TA2合金的热激活能101.6 k J/mol,TA15合金热激活能为146.5kJ/mol,TC4合金热激活能为161.04kJ/mol。材料的热激活能越低,富氧α层越容易形成。富氧α层的存在对三种牌号钛合金的力学性能均有较大影响。富氧α层的形成导致内部拉应力的存在,这部分拉应力的切应力分量在拉伸过程中会导致钛合金过早屈服。富氧α层的存在同时导致非单相结构的钛合金组织塑性变形不能协调进行,材料不能均匀塑性变形,相当于过早进入颈缩状态而塑性大幅下降。断口SEM观察则清晰的表明了富氧α层的存在改变了钛合金的断裂行为。