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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-04-01 20:50
鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、抗腐蝕能力優(yōu)異等特點(diǎn)，是一種具有巨大發(fā)展?jié)撡|(zhì)及應(yīng)用前景的新型結(jié)構(gòu)材料。鈦合金尤其是高強(qiáng)鈦合金是現(xiàn)代飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要制造材料之一，能夠很好地實(shí)現(xiàn)減重效果，提高結(jié)構(gòu)效率。
由于高強(qiáng)鈦合金具備高強(qiáng)度密度比、優(yōu)良的淬透性和出色的抗疲勞性等特點(diǎn)，是目前鈦合金發(fā)展和應(yīng)用的主要方向之一，現(xiàn)如今很多高速飛行器（如飛機(jī)、火箭）普遍使用高強(qiáng)鈦合金作為主要的結(jié)構(gòu)材料。
高強(qiáng)鈦合金通常指經(jīng)過熱處理后室溫拉伸強(qiáng)度高于1100 MPa的鈦合金，可分為以Ti-6-22-22S為代表的α+β型兩相鈦合金，以及以Ti-5553為代表的β型鈦合金。雖然在鈦合金高強(qiáng)化方面，α+β鈦合金廣泛受到關(guān)注，但在深硬化能力及實(shí)際生產(chǎn)過程等方面，β鈦合金有著十分顯著的優(yōu)勢。
鈦合金的物理、化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)性能都會(huì)受到合金中所含元素的不同和多少的影響，在設(shè)計(jì)高強(qiáng)β鈦合金時(shí)應(yīng)考慮其滿足的服役條件，確定所需的性能，來選擇合適的元素進(jìn)行合金化，同時(shí)必須考慮β穩(wěn)定元素的選擇與含量控制。對β鈦合金來說，β穩(wěn)定元素的種類和添加量的差異都對合金的性能產(chǎn)生很大的影響。
β鈦合金的分類與微合金化
1.β鈦合金的分類
β鈦合金是指鈦合金中存在的元素以β穩(wěn)定元素為主，并在β相變點(diǎn)以上淬火得到的組織全部都由β相組成的鈦合金。因?yàn)檫@種鈦合金成分中含有大量的β穩(wěn)定元素，所以把它定義為β鈦合金，其中β穩(wěn)定元素（分為同晶型與共析型，見圖1）就是能擴(kuò)大β相區(qū)或者使β轉(zhuǎn)變溫度下降的元素。
圖1 β穩(wěn)定元素的分類
共析型β穩(wěn)定元素如Cr、Fe、Cu、Mn、Co等元素，高溫下在鈦合金中有一定的固溶度，冷卻速度較低，或經(jīng)時(shí)效后可以析出α相。
同晶型β穩(wěn)定元素如Mo、Nb、V等，在β-Ti中的固溶度相對較大，對合金有固溶強(qiáng)化的作用，還可以降低β轉(zhuǎn)變溫度。
20世紀(jì)50年代，麥克格維提出按退火后組織中的相種類進(jìn)行分類。但是在工業(yè)生產(chǎn)中鈦合金總是會(huì)出現(xiàn)非平衡組織。所以當(dāng)前一般按照亞穩(wěn)狀態(tài)下組織中相的種類以及合金中β穩(wěn)定元素含量來劃分鈦合金的種類，即分為近β鈦合金及亞穩(wěn)β鈦合金。
為了能進(jìn)一步了解不同合金元素對鈦合金的影響，并保障β相穩(wěn)定性，現(xiàn)在常使用鉬當(dāng)量作為劃分鈦合金的準(zhǔn)則，同時(shí)在設(shè)計(jì)鈦合金的成分時(shí)鉬當(dāng)量也是一種十分重要的參考準(zhǔn)則。
我國常用的鉬當(dāng)量計(jì)算公式如式（1）所示，但對于β鈦合金而言，由于鋁當(dāng)量的影響，需要對鉬當(dāng)量公式進(jìn)行修正，式（2）即為修正后的公式。
根據(jù)修正后的計(jì)算公式，普遍認(rèn)為當(dāng)β鈦合金的Mo當(dāng)量大于10%時(shí)，在β相區(qū)淬火后獲得的組織就只包含β相。認(rèn)為當(dāng)8.5%＜[Mo]eq＜10.8%時(shí)為近β鈦合金。當(dāng)13.8%＜[Mo]eq＜25%時(shí)為亞穩(wěn)定β鈦合金，這類合金在β相區(qū)固溶并快冷后得到的組織基本上只有亞穩(wěn)β相。當(dāng)25%＜[Mo]eq時(shí)為穩(wěn)定β鈦合金，這類合金經(jīng)過退火后得到的組織中只有β相，室溫下的組織十分穩(wěn)定，并且沒有熱效應(yīng)。
圖2列出了幾種常見β鈦合金的鉬當(dāng)量，其中BT22為典型的近β鈦合金，具備高強(qiáng)度、優(yōu)異的塑韌性及焊接性；β21-S是典型的亞穩(wěn)β鈦合金，具有優(yōu)異的高溫抗氧化能力、抗蠕變性能。綜上所述，根據(jù)鉬當(dāng)量的不同，β鈦合金可分為近β鈦合金、亞穩(wěn)定β鈦合金以及穩(wěn)定β鈦合金。
圖2 幾種常見β鈦合金的鉬當(dāng)量
2.β鈦合金的微合金化
對于鈦合金來說，合金元素的種類以及含量均會(huì)影響合金的性能。而對于β鈦合金，主要問題是如何選擇β穩(wěn)定元素以及控制β穩(wěn)定元素的添加量。
在鈦合金中加入足量的β穩(wěn)定元素，可以使組織中析出很多亞穩(wěn)β相，進(jìn)而對合金產(chǎn)生強(qiáng)化效果。并且在固溶后的時(shí)效過程中還會(huì)析出彌散的第二相粒子，從而對基體起到析出強(qiáng)化的作用，使合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化。
但是，若加入過量的β穩(wěn)定元素，在合金的熔煉過程中容易出現(xiàn)元素的偏析及夾雜，同時(shí)還會(huì)過度穩(wěn)定β相，使亞穩(wěn)β相在后續(xù)過程中不易分解，減弱它的析出強(qiáng)化能力。
在高強(qiáng)β鈦合金微合金化時(shí)常添加的β穩(wěn)定元素有Mo、V、Cr、Fe、Nb、Ni等。Mo和V是最常用的β穩(wěn)定元素，常以置換的方式溶入β鈦合金中，在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)還不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害合金塑性。
Mo作為一種強(qiáng)β穩(wěn)定元素，在β鈦合金中的溶解度非常大。含鉬元素的鈦合金可以通過淬火后時(shí)效的方法大幅度提升合金的強(qiáng)度。除此之外，Mo還能改善鈦合金的抗腐蝕、抗氧化能力，如β-21S合金所展示的那樣。鉬元素不僅可以使合金抗裂紋擴(kuò)展能力、室溫及高溫強(qiáng)度明顯提升，還可以改善合金的塑性以及抑制含Al、Cr、Fe等元素的鈦合金中出現(xiàn)共析及包析反應(yīng)，并提高含有鉻、鐵元素合金的組織熱穩(wěn)定性。
釩元素作為同晶型穩(wěn)定元素在β鈦合金中的溶解度也很大。與Mo一樣，V也可以抑制鈦合金中出現(xiàn)的共析反應(yīng)并提高組織穩(wěn)定性。此外釩元素對α相有極強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，還可以降低亞穩(wěn)β鈦合金的流變抗力，但釩元素的加入會(huì)使合金的耐熱性及高溫抗蠕變性能變差。
共晶型元素Nb也是β鈦合金常添加的元素，Nb可以提高合金的抗氧化性，還可以一定程度上細(xì)化α相，提高合金塑性。且隨著Nb含量的增加，α相含量逐漸減少，而ω相（即β穩(wěn)定元素溶于α相中形成的一種過飽和固溶體）含量逐漸增加。
Fe和Cr是β鈦合金常添加的共析型β穩(wěn)定元素，它們的活性很低，一般要在共析轉(zhuǎn)變溫度下保溫一段時(shí)間（短則幾個(gè)小時(shí)，長則要幾十天）才會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。Fe和Cr相對于Mo和V來說，β相的穩(wěn)定效果要更好，并且對β鈦合金有很好的強(qiáng)化作用。
但含鐵元素的鈦合金熱穩(wěn)定性很差，在較低溫度甚至室溫下β固溶體都有可能發(fā)生分解。另外Fe的加入容易導(dǎo)致鈦合金產(chǎn)生嚴(yán)重的偏析，并且Fe非常容易引起β相局部析出，從而導(dǎo)致鈦合金的抗腐蝕能力下降。所以鈦合金中Fe的加入量一般很少。
相對于Fe元素，Cr不會(huì)造成很嚴(yán)重的偏析。并且鉻元素的添加能夠確保鈦合金的熱處理強(qiáng)化效應(yīng)較好，同時(shí)還可以改善合金的室溫塑性、強(qiáng)度。然而Cr在高溫下易與Ti反應(yīng)生成TiCr2，會(huì)導(dǎo)致合金的塑性變差。由于Fe和Cr與Ti之間存在共析反應(yīng)，若添加量過多會(huì)使合金變脆，并且在熔煉時(shí)鐵元素還會(huì)形成β斑等冶金缺陷，所以要嚴(yán)格控制Fe和Cr的含量。
如今β鈦合金在進(jìn)行成分設(shè)計(jì)時(shí)，一般是按照“多元少量”的原則。對于一些活性共析型β穩(wěn)定元素，比如Cu、Ag和Si在β鈦合金中極易發(fā)生共析反應(yīng)，并且含活性共析元素的合金經(jīng)淬火后組織中只包括馬氏體，得不到亞穩(wěn)β相，所以在合金化時(shí)一般不考慮添加這類元素。
Al雖然是α穩(wěn)定元素，但它對β鈦合金來說也十分重要，是β鈦合金中常用的添加元素，β鈦合金中Al的含量一般在3%～6%。添加一定量的Al不僅可以提高β鈦合金的強(qiáng)度，還可以加速亞穩(wěn)β相分解后產(chǎn)生的脆性ω相向次生α相轉(zhuǎn)變。但是若加入的Al含量過多會(huì)導(dǎo)致合金中形成有序相Ti3Al（α2相），這種有序相在低溫時(shí)效時(shí)會(huì)使合金變脆，且會(huì)損害鈦合金的塑韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能。
與Ti相比，Al的密度及原子半徑都比較小，Al的加入會(huì)提高β鈦合金中各原子間的結(jié)合力，在顯著提高合金比強(qiáng)度的同時(shí)還可以保持較好的塑性；還可以降低鈦合金的熔點(diǎn)及密度，提高合金的抗氧化性能及再結(jié)晶溫度。在熔煉時(shí)難熔金屬元素常以Al合金的形式熔入到β鈦合金中，如Al-Mo合金、VAl合金等，可以降低鈦合金的生產(chǎn)成本，同時(shí)避免鑄錠在熔煉時(shí)出現(xiàn)高密度夾雜等缺陷。
Zr、Sn是β鈦合金中常見的中性元素。Zr和Ti的化學(xué)、物理性質(zhì)相近，原子尺寸相差不多，可以在β-Ti中無限固溶，而Sn在β-Ti中的溶解度也很大，最高可達(dá)32%。Zr、Sn都可以通過固溶強(qiáng)化的方式來提高β鈦合金的強(qiáng)度，并且對亞穩(wěn)β相有很好的穩(wěn)定效果，抑制時(shí)效時(shí)ω相的析出。此外，Zr、Sn還可以改善鈦合金的熱強(qiáng)性，并且Sn在提高熱強(qiáng)性的條件下沒有對合金的室溫塑性產(chǎn)生不利影響，而Zr在溫度較高時(shí)對鈦合金有十分顯著的強(qiáng)化效果。
國內(nèi)外β鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著航空航天行業(yè)不斷地發(fā)展，鈦及鈦合金復(fù)合材料作為一種常用的結(jié)構(gòu)材料得到了快速的發(fā)展，尤其在飛行器中的使用量不斷增加。
由于高強(qiáng)β鈦合金優(yōu)異的力學(xué)性能，得到了世界各國的廣泛關(guān)注，許多研究人員對它進(jìn)行了大量的研究。在世界各國幾十年的探索過程中，成功開發(fā)出多種類型的高強(qiáng)β鈦合金，表1列出了部分常用高強(qiáng)β鈦合金的成分、類型及使用場景（其中Mo當(dāng)量是以公式（2）計(jì)算得到的）。
表1 國內(nèi)外研究的部分高強(qiáng)β鈦合金
其中美國和前蘇聯(lián)（俄羅斯）是最早對β鈦合金進(jìn)行研究的國家，且已經(jīng)開發(fā)出自己的體系，研制出的一些高強(qiáng)β鈦合金，如β21S、BT22等廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事裝備等領(lǐng)域。
1.國外高強(qiáng)β鈦合金的發(fā)展
20世紀(jì)50年代，美國公司Crucible開發(fā)出世界上第一種β型鈦合金B(yǎng)-120VCA（Ti-13V-11Cr-3Al）。B-120VCA合金擁有優(yōu)異的冷熱加工性能，可鍛造、軋制，經(jīng)固溶處理及時(shí)效后可以得到良好的力學(xué)性能、環(huán)境抗力等特點(diǎn)，且淬火后可以獲得很好的塑性。該合金主要應(yīng)用在飛機(jī)高強(qiáng)度板材零件的制造方面。
20世紀(jì)70年代初，美國Timet公司和波音公司開發(fā)出一種具備高強(qiáng)度、斷裂韌性、出色的鍛造性能及優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展能力的高強(qiáng)韌近β型鈦合金Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al），該合金的密度僅有4.65g/cm3，β相變點(diǎn)在800 ℃±5 ℃，室溫拉伸彈性模量在83～110 GPa，經(jīng)熱處理后合金的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到1300 MPa。
由于Ti-1023的高強(qiáng)度密度比、高韌性等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)減重效果，所以到目前為止，Ti-1023合金仍是應(yīng)用最多的β鈦合金。該合金一般用于板材、棒材等材料的生產(chǎn)，主要應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括梁、機(jī)體鍛件、輔助襟翼滑軌等零部件。飛機(jī)型號(hào)包括757、F14 和F18等。
20世紀(jì)80年代，美國Timet公司開發(fā)出一種亞穩(wěn)β型鈦合金β-21S（Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si）合金，由于在設(shè)計(jì)合金成分時(shí)去掉了V加入了Si，所以該合金的高溫性能，如高溫抗氧化能力、抗蠕變性能和高溫下的力學(xué)性能等較之前的β鈦合金要好得多。β-21S合金的問世標(biāo)志著β型鈦合金只能在350℃下使用的時(shí)代已成為過去，拓寬了β型鈦合金的應(yīng)用前景。
Ivasishin等研究了多種熱處理?xiàng)l件下β-21S微觀組織與機(jī)械性能的變化。發(fā)現(xiàn)合金在β相轉(zhuǎn)變溫度以上固溶處理，并淬火后再經(jīng)過室溫冷變形、再結(jié)晶退火及時(shí)效后，可以得到良好的強(qiáng)塑性匹配，表2列舉了不同熱處理制度下β-21S合金的部分性能。
表2 不同熱處理?xiàng)l件下β-21S合金的力學(xué)性能
β-21S常用于制造需要在高溫下進(jìn)行作業(yè)的零件，比如噴管、襯套和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件、緊固件和整流罩等復(fù)雜零件。
俄羅斯（前蘇聯(lián)）也是世界上最早研制高強(qiáng)β鈦合金的國家之一。在20世紀(jì)中葉，前蘇聯(lián)在B-120VCA合金的基礎(chǔ)上使用Mo代替V，成功研制出該國第一種高強(qiáng)β鈦合金，即BT15合金（Ti-3Al-7Mo-11Cr）。由于BT15合金中不包含釩元素，所以BT15合金的耐熱性能相較于B-120VCA合金得到明顯改善。基于BT15，俄羅斯又成功研制出另外幾種高強(qiáng)β鈦合金，如BT22、Ti-5553、BT32等。
BT22（Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe）是20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)研制出的一種具備高強(qiáng)度、優(yōu)異的塑韌性及焊接性的近β型鈦合金。該合金經(jīng)過退火處理后，發(fā)現(xiàn)其退火組織包含α相和β相，且含量相同，退火后合金可以得到較高強(qiáng)度（1083 MPa）和良好的斷裂韌性。并且在650 ℃時(shí)效后強(qiáng)度明顯得到了提升。表3列出了BT22時(shí)效處理后的部分力學(xué)性能。
表3 BT22時(shí)效處理后的力學(xué)性能
由于BT22具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的焊接性等特點(diǎn)，所以它常用來生產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、模鍛件和焊接構(gòu)件等零件。
1996年，俄羅斯與美國波音公司通過改變BT22合金的成分成功研制出了一種新型的超高強(qiáng)β鈦合金，即Ti-5553合金（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe）。Ti-5553與BT22相比增加了鉻元素的含量，并減少了鐵元素的含量，改善了合金組織的均勻性、抗氧化性及淬透性，且Ti-5553在固溶時(shí)效熱處理后屈服強(qiáng)度可以達(dá)到1532MPa。
由于Ti-5553合金可加工范圍較大，且具有良好的沖擊性能及優(yōu)異的淬透性等優(yōu)點(diǎn)，所以該合金取代了Ti-1023和BT22合金，常用來制造飛機(jī)的起落架和高強(qiáng)緊固件等。表4總結(jié)了部分美國和俄羅斯（前蘇聯(lián)）研發(fā)的高強(qiáng)β鈦合金的成分、Mo當(dāng)量與力學(xué)性能。
表4 美國和俄羅斯主要高強(qiáng)β鈦合金的力學(xué)性能
2.國內(nèi)高強(qiáng)β鈦合金的發(fā)展
我國在很早的時(shí)候就已經(jīng)對高強(qiáng)β鈦合金的開發(fā)進(jìn)行了探索，但開始階段以仿制為主。
20世紀(jì)60年代早期，北京有色金屬研究所成功開發(fā)出Ti-5583合金（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al），該合金中加入了β穩(wěn)定元素Mo、V、Cr及α穩(wěn)定元素Al，其中釩元素的加入使合金擁有較好的塑性。
Ti-5583合金在性能方面與美國的BV120-VCA及俄羅斯的BT5相似，在國內(nèi)的牌號(hào)為TB2。合金在略高于相變點(diǎn)進(jìn)行固溶和時(shí)效后，屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到1100～1200 MPa，此外還有較好的延伸率12%。Ti-5583常用于航空用緊固件的制造。
北京有色金屬研究所在TB2的基礎(chǔ)上降低鉻元素的含量,得到了一種新型的近β鈦合金Ti5523（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al），該合金的綜合性能與Ti-1023、BT22合金相差不大，在國內(nèi)的牌號(hào)為TB10。
Ti5523中β穩(wěn)定元素的含量與臨界濃度相近，這導(dǎo)致合金既有α＋β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，又包含亞穩(wěn)定β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，該合金不僅有較高的比強(qiáng)度、斷裂韌性及淬透性，還有優(yōu)良的熱加工性能以及機(jī)加工性能，此外，加工溫度及變形抗力與絕大部分工業(yè)鈦合金相比要低得多，常應(yīng)用于高結(jié)構(gòu)件、緊固件和零件外殼，比如飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等零部件，是一種非常理想的結(jié)構(gòu)材料。
自新世紀(jì)以來，我國鈦合金行業(yè)得到飛速的發(fā)展，其中高強(qiáng)鈦合金的研究與探索也獲得了輝煌的成果，研制出很多新型的β型鈦合金，如TB8、TB20、TB-1300等。
西北有色金屬研究所在高強(qiáng)高韌鈦合金的開發(fā)方面取得了重大突破，成功研制出TC21合金（Ti-6A1-2Zr-2Sn-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)TC21有較高的強(qiáng)度（1100 MPa）及良好的塑性，可用于飛機(jī)鍛造部件的制造。
寶雞有色金屬加工廠自主研發(fā)了一種新型高強(qiáng)β鈦合金B(yǎng)Ti-6554（Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al），該合金有較好的強(qiáng)度塑性匹配，經(jīng)過熱處理后強(qiáng)度可以提高到1200 MPa。
雖然最近幾十年我國鈦合金行業(yè)發(fā)展迅速，但由于我國鈦合金發(fā)展與美國和俄羅斯相比較晚，目前離世界頂尖水平仍有一定的差距。表5總結(jié)了部分中國研發(fā)的高強(qiáng)β鈦合金的成分、應(yīng)用與強(qiáng)度。
表5 中國部分高強(qiáng)β鈦合金的力學(xué)性能
小尺寸間隙元素對β鈦合金的強(qiáng)化
由于鈦合金的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，所以容易和一些間隙元素反應(yīng)，從而生成一系列化合物，其中碳、氧、氮和氫是鈦合金中最常添加的間隙元素。
在不同條件下，這些間隙元素與鈦合金反應(yīng)生產(chǎn)的化合物對合金微觀組織和力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不同影響，很難做出準(zhǔn)確的預(yù)測。
為了消除不利影響，想要從鈦合金中消除這些元素是一項(xiàng)很困難的工作。因此，充分了解間隙元素對鈦合金組織和性能的影響具有重要意義。
1.氧對β鈦合金的影響
氧是鈦合金中非常重要的一種元素，對鈦合金的相變、微觀組織和力學(xué)性能的影響非常復(fù)雜，不同的合金成分以及加工參數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，且有利有弊。雖然可能會(huì)影響合金的塑性，但是通過嚴(yán)格控制添加量可以得到有效控制，并且更重要的是可以很好地優(yōu)化合金的性能，例如氧原子常位于合金基體的間隙位置，易與合金形成間隙固溶體，使晶格產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致位錯(cuò)很難移動(dòng)且容易塞積，進(jìn)而提升合金的強(qiáng)度。因此，很多研究者常利用氧的間隙強(qiáng)化作用來獲得高強(qiáng)度的鈦合金。
藍(lán)春波等以Ti-32.5Nb-6.8Zr-2.7Sn（TNZS）為對象，研究了在冷軋條件下氧添加量（0.3%、0.6%）對TNZS合金力學(xué)性能及微觀組織的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在時(shí)效過程中氧元素不僅可以通過防止{111}β平面交替坍塌從而抑制ω相的析出，還可以延緩α相的形成和分解。隨著氧含量的增加，TNZS合金α相析出的最大體積分?jǐn)?shù)和(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度均隨其增加而升高。在450 ℃下時(shí)效24小時(shí)后 ，TNZS-0.6O合金的屈服強(qiáng)度為1460 MPa，明顯高于TNZS合金的1250 MPa，以及TNZS-0.3O合金的1310 MPa。這表明氧確實(shí)對鈦合金有強(qiáng)化效果，且強(qiáng)化程度伴隨氧添加量的增加而增加。
Furuta等研究了Nb（30%～36%）、O（0.3%～0.5%）含量對Ti-Nb-Ta-Zr-O合金力學(xué)性能以及相穩(wěn)定性的影響，還研究了短暫時(shí)效處理對所選Ti-Nb-Ta-Zr-O合金力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在鈮含量較低，氧含量較高的情況下，合金擁有較高的強(qiáng)度以及良好的塑性，此時(shí)合金具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。
Furuta發(fā)現(xiàn)隨著氧含量的增加會(huì)抑制ω、α?的析出，同時(shí)會(huì)對合金產(chǎn)生強(qiáng)化效果，使合金強(qiáng)度上升。他們認(rèn)為ω相析出受阻的主要原因是O占據(jù)了β基體中的間隙位置，導(dǎo)致原子移動(dòng)受阻，從而抑制ω相的析出。α?相析出受阻的主要原因是氧元素的加入可以顯著提高β相的穩(wěn)定性，避免應(yīng)力誘發(fā)α?相。經(jīng)冷加工后，Ti-32Nb-2Ta-3Zr-0.5O的抗拉強(qiáng)度為1370 MPa，伸長率為12%。在350℃下時(shí)效600 s后，合金的強(qiáng)度比冷軋狀態(tài)下提升了大約130 MPa，達(dá)到1500 MPa，拉伸伸長率略微下降為10%。
Duan等系統(tǒng)研究了氧添加量（0.1%、0.2%）對冷軋態(tài)Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過冷軋后原始合金（O添加量為0）Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr的抗拉強(qiáng)度為680 MPa，而添加了0.2% O元素合金的抗拉強(qiáng)度則高達(dá)1170 MPa，并且發(fā)現(xiàn)添加氧元素后合金的組織僅包含單一的β相，而原始合金的組織既包含β相，又包含α?相。此外，隨著氧含量的增加，雖然會(huì)導(dǎo)致晶粒尺寸變大，但合金的成形率、彈性變形率、強(qiáng)度和硬度都隨著氧含量的增加而增加。冷軋雖然可以提高合金的強(qiáng)度，但會(huì)使塑性變形能力大大降低，且冷軋會(huì)使含氧合金表現(xiàn)出脆性特征，斷裂模式由塑性向脆性轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明，合金強(qiáng)度、硬度上升的主要原因是氧元素對β相有很好的穩(wěn)定作用，從而抑制β相向α?相轉(zhuǎn)變。
雖然一些試驗(yàn)表明向鈦合金中添加氧元素會(huì)抑制第二相的析出，但對于鈦合金中氧含量的這種動(dòng)力學(xué)機(jī)制還存在一些爭議。
例如，Niinomi等由大量試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出過量的氧可以穩(wěn)定Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金中的ω相，并且他們推斷ω相中的高濃度氧可能是在時(shí)效處理后形成穩(wěn)定ω相的原因。
Pinotti等研究表明向Ti–29Nb–13Ta–4Mo合金中加入氧元素可以降低（β/β+ω）的Bo（鍵級(jí)）和Md（電子能級(jí)），從而促進(jìn)ω相的形成。所以氧對β-Ti中ω相的影響仍然需要并且應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)的研究。但可以確定的是氧作為一種間隙強(qiáng)化元素，它的加入確實(shí)能夠?qū)︹伜辖甬a(chǎn)生強(qiáng)化效果。
2.其他間隙元素對β鈦合金的影響
氮和氧一樣也是作為間隙元素存在于鈦合金中，并且與氧相比氮的強(qiáng)化效果要更好。氮元素對鈦合金的影響已經(jīng)研究了很長一段時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金中添加這種元素會(huì)導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和硬度值普遍增加，平均晶粒尺寸減小，但會(huì)使延伸率有所降低。
此外還發(fā)現(xiàn)在一定范圍中，每增加0.05%含量的氮，合金的強(qiáng)度就會(huì)增加 122.6 MPa。如Furuhara等發(fā)現(xiàn)在Ti-10V-3Fe-2Al合金中添加少量（0.1%～0.2%）氮可以抑制非熱β→ω、β→α?轉(zhuǎn)變，同時(shí)可以通過強(qiáng)化β基體從而對合金進(jìn)行強(qiáng)化。
Ramarolahy等觀察了氮元素對Ti-24Nb的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，尤其是添加N的合金與作為參考的Ti-24Nb合金組織、性能的比較。圖3顯示了經(jīng)固溶處理后Ti-24Nb和Ti-24Nb-0.5N的XRD譜和微觀組織。
圖3 Ti-24Nb和Ti-24Nb-0.5N的XRD譜和微觀組織
由圖3可以看出經(jīng)固溶處理后，Ti-24Nb合金呈現(xiàn)出雙相微觀結(jié)構(gòu)，由等軸β相及馬氏體α″相組成。相反，Ti-24Nb-0.5N合金測定微觀結(jié)構(gòu)則完全由β相組成。這表明添加N會(huì)抑制α?的形成。在性能方面，Ti-24Nb-0.5N的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度較Ti-24Nb合金都明顯提高，但斷裂韌性略有下降。這一研究也表明N對β鈦合金具有強(qiáng)化效果。但是，由于N是α穩(wěn)定元素，所以在β鈦合金中實(shí)現(xiàn)較大的添加量是不太可能的。
如Banoth發(fā)現(xiàn)，向β鈦合金Ti-5V-5Mo-5Al-3Cr中加入碳元素會(huì)細(xì)化β晶粒及時(shí)效后的α晶粒，并且C與鈦基體會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成不可變形的碳化物，從而提高合金強(qiáng)度及硬度，但這也導(dǎo)致了合金延展性的降低，惡化了合金的塑性。值得注意的是，C在β相中的溶解度隨著Nb和其他β穩(wěn)定元素含量的增加而降低，這可能對高合金含量β鈦合金的設(shè)計(jì)有重大影響。
氫是一種有效的β穩(wěn)定元素，在α相中的溶解度很小，幾乎為零。H會(huì)導(dǎo)致鈦合金嚴(yán)重脆化，這一現(xiàn)象在鈦合金中普遍存在，即使在低氫濃度下，氫化物也可能在應(yīng)力集中處形成。在β型鈦合金中，即使氫元素的含量很低，也會(huì)表現(xiàn)出韌性-脆性轉(zhuǎn)變。
大量研究發(fā)現(xiàn)，H的添加被廣泛認(rèn)為對鈦合金的機(jī)械性能有害，即使添加量很小也會(huì)對合金的屈服強(qiáng)度和延伸率產(chǎn)生不利的影響，且初始彈性模量也會(huì)有所下降。因此，氫元素的存在被認(rèn)為是不利的，應(yīng)盡可能避免添加。
β鈦合金的發(fā)展趨勢
雖然β鈦合金研究取得了輝煌的成就，但在應(yīng)用方面已經(jīng)停滯了很長時(shí)間，它所占的鈦市場份額與其他類型的鈦合金相比要小得多。現(xiàn)如今已投入應(yīng)用的β鈦合金牌號(hào)中最新的仍然是Ti-55531。阻礙β鈦合金發(fā)展的主要原因有三個(gè)：
1.成本問題
目前投入實(shí)際生產(chǎn)的β鈦合金中含有大量成本昂貴的β穩(wěn)定元素（如Mo、V、Cr等），大大提升了合金的成本。同時(shí)為了避免熔煉時(shí)出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象，降低了熔煉速率導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。此外，β鈦合金較低的產(chǎn)量也是高成本的原因之一。這都對β鈦合金的應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重限制。
2.工藝方面
β鈦合金的一些性能對工藝參數(shù)極其敏感，比如β鈦合金在時(shí)效過程中組織十分不穩(wěn)定，并且由于較寬的顯微組織區(qū)間，若在工藝進(jìn)行過程中顯微組織發(fā)生變化（比如α相、β相的晶粒尺寸），需要有準(zhǔn)確的從顯微組織方面給予預(yù)判性能的能力，這在生產(chǎn)大型零件過程中很難實(shí)現(xiàn)。
3.性能方面
對于β鈦合金來說，追求高強(qiáng)度的同時(shí)勢必會(huì)對合金的塑韌性產(chǎn)生影響。目前面臨的一大難題就是如何在保證高強(qiáng)度的同時(shí)盡可能提高合金的塑性、斷裂韌性，并保證較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。而這一問題也阻礙了高強(qiáng)β鈦合金在應(yīng)用方面的發(fā)展，這也導(dǎo)致了高強(qiáng)β鈦合金主要用于小體積和非主承力部件上，如緊固件、彈簧、尾椎等。
針對以上方面β鈦合金主要的發(fā)展方向應(yīng)向以下幾個(gè)方面努力：
1.低成本β鈦合金
由于已投入應(yīng)用的β鈦合金中含有大量高價(jià)的元素，使得合金的成本高居不下。目前，降低β鈦合金成本最常用的方法就是用低成本的元素，如Fe、Cr等來代替合金中高成本的元素，如Mo、V、Nb等。而在其他方面如選擇合適的工藝參數(shù)、優(yōu)化工藝過程等也是降低合金成本的重要手段，這也是研究人員接下來重點(diǎn)研究的方向之一。
2.高強(qiáng)高韌鈦合金
考慮到高強(qiáng)β鈦合金的實(shí)際應(yīng)用（如航空航天、海洋船舶等領(lǐng)域），不但要求合金有很高的強(qiáng)度，同時(shí)還要保證合金具有良好的斷裂韌性，以求得到良好的強(qiáng)度與韌性的匹配。而現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的β鈦合金很難滿足這個(gè)要求。因此，高強(qiáng)高韌鈦合金也是目前鈦合金探索和發(fā)展的重要方向。
3.低彈性模量醫(yī)用β鈦合金
與其他金屬相比，鈦合金尤其是β鈦合金被認(rèn)為是目前骨科應(yīng)用的最佳選擇。相較于其他類型的鈦合金，β鈦合金擁有較低的楊氏模量、超彈性行為及更好的生物相容性，從而受到了更加廣泛的關(guān)注。由Nb、Ta、Zr等生物相容性好的元素組成的高強(qiáng)、低彈性模量β鈦合金已成為最近的研究熱點(diǎn)之一。
4.β鈦合金的增材制造
與傳統(tǒng)技術(shù)相比，增材制造鈦合金技術(shù)可以生產(chǎn)各種比較復(fù)雜的鈦合金結(jié)構(gòu)件，為生產(chǎn)大型整體結(jié)構(gòu)件開創(chuàng)了新思路。亞穩(wěn)β鈦合金是增材制造鈦合金技術(shù)最有吸引力的材料，與傳統(tǒng)變形加工技術(shù)相比，可以降低材料的成本，減少浪費(fèi)。
5.超高強(qiáng)鈦合金
現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的高強(qiáng)β鈦合金的使用強(qiáng)度大多低于1300 MPa，對于強(qiáng)度超過1300 MPa的超高強(qiáng)鈦合金的研究還不成熟。目前，對于超高強(qiáng)鈦合金的研究大多集中在成分及工藝方面，而忽略了對微合金化機(jī)制、強(qiáng)韌化理論等方面的研究。若能清楚地了解超高強(qiáng)度鈦合金成分-工藝-組織-性能之間的聯(lián)系，了解強(qiáng)韌化機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)β鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用有很大幫助。
來源：鋼鐵釩鈦
