高性能Ti-V-Al系β鈦合金的成分設(shè)計、組織結(jié)構(gòu)和力學性能研究.pdf

1、鈦及鈦合金由于比強度高和抗腐蝕性能優(yōu)異等特點成為極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域具有非常重要的應用價值和廣闊的應用前景，長期以來一直是材料領(lǐng)域的研究熱點。其中β鈦合金相對于α及α+β鈦合金具有比強度更高、冷加工性能更好等優(yōu)點。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)合金是β鈦合金的一種，它因具有強度高、延展性好、冷加工性能優(yōu)異等特點而得到了廣泛的應用。但該合金含有大量貴重元素V，因此限制了其進一步的發(fā)

2、展。本文通過d-電子合金設(shè)計方法和鉬當量原理，期望在保持該合金原有性能的前提下，采用其它比較廉價的元素代替部分V設(shè)計低成本β鈦合金，同時利用B的細化晶粒作用，進一步提升合金的綜合性能。本研究所取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 d-電子合金設(shè)計方法是從原子內(nèi)部作用力著手，而合金的力學等性能則正是元素相互之間作用力的外在表現(xiàn)，因此該方法具有重要的參考價值，所設(shè)計的合金也呈現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。如合金Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo在固溶

3、態(tài)時的抗拉強度達到789MPa，斷裂延伸率是20.6％；經(jīng)過時效處理后，其抗拉強度可高達1120MPa，而斷裂延伸率大于4%。其性能已經(jīng)較接近參照合金Ti-15-3，且成本比后者低很多。
　　 根據(jù)以上的實驗結(jié)果，以Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo為基體，通過添加微量B以進一步改善合金力學性能。研究結(jié)果顯示合金強度隨著B含量的增加而顯著提高，其中合金在時效態(tài)時強度最大，其次是軋制態(tài)，固溶態(tài)時的強度最低。合金塑性一方面隨著B含量

4、的增加先增加后減少，其臨界值大約是B=0.05%，即當B含量小于0.05%時，合金塑性隨著B的增加而增加，反之，當B含量大于0.05%時，合金塑性隨著B的增加而減少；另外一方面，合金固溶態(tài)時的塑性最好，其次是軋制態(tài)，而時效態(tài)的合金塑性最差。
　　 在本研究中，Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo-0.05B合金具有最佳的綜合性能，其軋制態(tài)、固溶態(tài)和時效態(tài)時的抗拉強度分別是：830.74MPa、825.7MPa和1329.2MPa，

5、延伸率則分別是10.02%、21.23%和5.32%。這個合金的性能已經(jīng)與參照合金Ti-15-3的性能相當，且成本較低，具有發(fā)展成為高性能β鈦合金的良好潛力。
　　 相比較d-電子合金設(shè)計方法，根據(jù)鉬當量原理設(shè)計的β鈦合金，雖可以降低合金成本且保證合金均為單一等軸狀組織的β相，但合金的強度和塑性等性能有明顯波動，尤其是時效態(tài)，其性能要明顯差一些。具體表現(xiàn)為強度提高并不明顯，而塑性卻明顯下降。由此可以看出，在本研究中d-電子合金設(shè)