發(fā)布日期：2024-12-31 14:56:27
鈦合金因其低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，在海洋工程、航空航天、兵器裝備以及化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，隨著高端裝備朝著高性能、長壽命的方向發(fā)展，其對鈦合金構(gòu)件的宏觀質(zhì)量、微觀組織和服役性能提出了更高的要求�，F(xiàn)有牌號鈦合金在這些苛刻條件下仍存在一定的局限性，無法完全滿足現(xiàn)代高端裝備對材料的嚴(yán)苛需求。因此，亟需通過多組分合金化、成形工藝改善、熱處理工藝調(diào)整等不同的手段來優(yōu)化和改善鈦合金的綜合性能。在諸多優(yōu)化手段中，微合金化技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢備受關(guān)注。微合金化是通過在現(xiàn)有牌號鈦合金中引入微量的合金元素，在不顯著增加材料密度和成本的前提下，實(shí)現(xiàn)對鈦合金宏微觀組織的精確調(diào)控。
成分–組織–性能之間的關(guān)系是材料科學(xué)中的核心問題。微合金化能夠有效改善鈦合金的各項(xiàng)組織特征，進(jìn)而直接影響材料的服役行為。通過優(yōu)化合金成分，可以調(diào)控鈦合金的相變行為、晶粒尺寸和晶界特性等，精確調(diào)節(jié)α相和β相的比例、形貌和分布，從而在微觀尺度上優(yōu)化材料的組織結(jié)構(gòu)，最終提升其綜合性能（抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性、耐腐蝕性和抗蠕變性能等）。因此，微合金化不僅可以影響組織的均勻性和穩(wěn)定性，還對鈦合金在高溫、高應(yīng)力等復(fù)雜工況下的性能表現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。此外，微合金化技術(shù)具有良好的工藝適應(yīng)性，可以與成形工藝和熱處理工藝相結(jié)合，滿足高端裝備對材料性能的苛刻要求�？傮w而言，微合金化技術(shù)不僅能夠提升鈦合金的綜合性能，還為其在更廣泛、更嚴(yán)苛領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本文在介紹常用微合金元素及其添加方式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了典型合金化元素及其微合金化對鈦合金微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能影響方面的最新研究進(jìn)展，以期為基于合金化或微合金化方法的鈦合金性能優(yōu)化提供相關(guān)技術(shù)和理論指導(dǎo)。
1、鈦合金及合金化元素的分類
鈦?zhàn)?791年被發(fā)現(xiàn)至今已有200余年的歷史[4]。鈦有2種同素異構(gòu)體：在低于882℃時(shí)呈現(xiàn)密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)，稱為α-Ti；在882℃以上則為體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)，稱為β-Ti。通過添加合金元素，可以調(diào)節(jié)鈦的相變溫度和相成分含量，從而獲得不同微觀組織的鈦合金。
根據(jù)鈦合金的相組成可以將其分為α鈦合金、近α鈦合金（β相含量小于10%）、α+β鈦合金（β相含量10%~50%）、近β鈦合金和β鈦合金（β相含量大于50%）[5-6]。不同種類的鈦合金具有各自獨(dú)特的性能表現(xiàn)：α鈦合金具有優(yōu)異的高溫性能和良好的焊接性能，是耐熱合金的主要組成部分，但在室溫下表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度；α+β鈦合金可以通過熱處理實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，綜合性能優(yōu)良，但冷成形和冷加工能力較差；β鈦合金具有較高的強(qiáng)度，塑性加工性、熱穩(wěn)定性和淬透性好[7]，但其焊接性能和腐蝕性能較差。因此，為了全面提升鈦合金的綜合性能，需要對合金添加元素進(jìn)行宏觀設(shè)計(jì)和精確選擇。鈦合金中的微合金化元素主要分為α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素（分為同晶型和共析型）、中性元素[8]以及稀土元素[9]。圖1為不同類型合金化元素的二元鈦合金相圖。α穩(wěn)定元素能夠提高β相轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大α相區(qū)并增強(qiáng)α相的穩(wěn)定性，包括Al、Ga、Ge、B及雜質(zhì)元素O、N、C等[10]。同晶型β穩(wěn)定元素具有與Ti相同的晶格結(jié)構(gòu)和相近的原子半徑，可降低β相轉(zhuǎn)變溫度，并在β相中無限固溶，擴(kuò)大β相區(qū)并增強(qiáng)其穩(wěn)定性，常見元素包括Mo、V、Nb、Ta等[11]。共析型β穩(wěn)定元素[12]同樣能夠降低β相轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大β相區(qū)，但同時(shí)可能引發(fā)共析轉(zhuǎn)變，這類元素種類繁多，其共析反應(yīng)速度差異顯著[13-14]。對β相轉(zhuǎn)變溫度影響較小的元素被稱為中性元素，主要包括Zr[15]、Hf、Sn等。此外，稀土元素在鈦合金中能夠顯著提高合金的強(qiáng)度和韌性，某些稀土元素能夠與鈦形成穩(wěn)定的化合物。通過合理控制稀土元素的添加量，同樣可以實(shí)現(xiàn)鈦合金微觀組織的優(yōu)化，從而得到更優(yōu)的力學(xué)性能。
2、不同元素添加對鈦合金的影響
如上所述，雖然研究人員在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上定性總結(jié)了不同合金元素對鈦合金性能的影響規(guī)律，對合金設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，但相關(guān)典型合金元素具體是如何影響鈦合金微觀組織和力學(xué)性能仍然是研究的熱點(diǎn)。近年來，由于鈦合金性能的優(yōu)化需求以及新型制備加工技術(shù)的出現(xiàn)，特別是定量化描述合金化元素對鈦合金影響的需求日益迫切，采用一些新的評價(jià)與表征方法和手段，開展合金元素對鈦合金微觀組織與力學(xué)性能影響的研究工作日益增多和深入。
2.1α穩(wěn)定元素對鈦合金的影響
α穩(wěn)定元素能夠有效穩(wěn)定鈦合金中的α相，并顯著影響其力學(xué)性能�，F(xiàn)有研究重點(diǎn)為如何通過精確調(diào)控這些元素的添加比例和熱處理工藝，以優(yōu)化鈦合金的力學(xué)性能和物理特性。相關(guān)學(xué)者也探索了這些元素對鈦合金微觀組織（如晶粒尺寸和相界特性）的具體影響。
在鈦合金中加入Al元素會產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)[16]，這種沉淀強(qiáng)化是提升金屬材料強(qiáng)度的關(guān)鍵手段，但是對鈦合金塑性和韌性卻有著負(fù)面影響。例如，Huang等人[17]深入研究了Al元素添加對鈦合金力學(xué)性能的影響。針對純鈦和二元Ti-6Al合金，系統(tǒng)探討了Al元素在強(qiáng)化鈦合金強(qiáng)度和沖擊韌性方面的作用。研究結(jié)果顯示，Al元素的加入顯著抑制了鈦合金中位錯(cuò)運(yùn)動和變形孿晶的形成。相比以往研究，該研究詳細(xì)分析了Al元素對鈦合金微觀結(jié)構(gòu)的具體影響，包括α-Ti晶格中原子鍵合和電子結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步闡明了Al元素通過改變晶格結(jié)構(gòu)來促進(jìn)位錯(cuò)成核和提高滑移阻力的機(jī)制，并探討了這一機(jī)制對材料整體性能的影響。Zhang等人[18]的研究成果突破了現(xiàn)有的傳統(tǒng)理論框架，其研究結(jié)合了分子動力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)表征，闡明了純鈦和Ti-Al單相固溶體合金中的{1012}孿晶界遷移機(jī)制，并揭示了Al元素對{1012}孿晶界遷移的影響。圖2為Al元素對鈦合金中孿晶位錯(cuò)的影響示意圖。如圖2a所示，在Ti與Ti-Al單相固溶體合金中，{1012}孿晶界的遷移主要由孿生位錯(cuò)b2的運(yùn)動主導(dǎo)。
Al元素的添加能夠降低孿生位錯(cuò)b2形核所需的臨界分切應(yīng)力（CRSS），并通過產(chǎn)生晶格畸變的方式增加周圍Ti原子的勢能，從而促進(jìn)孿生位錯(cuò)b2的形核，增強(qiáng)孿晶界的遷移能力（圖2b）。這種獨(dú)特的脆性金屬間化合物剪切機(jī)制，不僅利用了第二相的固有強(qiáng)化效果，還通過位錯(cuò)剪切改善了塑性，大幅提升了材料在低溫條件下的綜合性能。這一重要發(fā)現(xiàn)有望被廣泛應(yīng)用于新型鈦合金設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步提升鈦合金的性能，以滿足不同領(lǐng)域的需求。
除了Al元素外，其他α穩(wěn)定元素（如C、O和N等）也對鈦合金的組織性能有著重要影響。呂智丹等人[19]系統(tǒng)探討了近β鈦合金Ti-4Al-5Mo-8V-2.5Cr1Sn-2Zr中添加C元素對微觀組織和力學(xué)性能的影響。圖3為Ti-4Al-5Mo-8V-2.5Cr-1Sn-2Zr合金中加入不同含量C元素后的XRD譜圖和維氏硬度。由圖3a可知，添加C元素會生成TiC相。TiC相能夠釘扎晶界，抑制晶粒生長，并充當(dāng)α相析出的形核點(diǎn)。隨著C含量的增加，α相異質(zhì)形核點(diǎn)數(shù)量增多，α片層的取向更加隨機(jī)，形成網(wǎng)籃組織，同時(shí)β晶粒得到細(xì)化。如圖3b所示，隨著C元素添加量的增加，合金的顯微硬度逐步提高。與以往鈦合金中添加C元素的研究相比，該研究深入分析了C元素對近β鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的具體影響，特別是TiC相對晶粒細(xì)化和相變行為的作用，為進(jìn)一步優(yōu)化鈦合金的力學(xué)性能提供了新的見解和方向。Ma等人[20]研究了微量B元素添加對鈦合金組織和性能的影響。該研究通過感應(yīng)熔煉法制備了TA6.5和TA6.5-0.2B鈦合金，詳細(xì)分析了B元素添加后合金在顯微組織、織構(gòu)、力學(xué)性能和斷裂行為上的顯著變化。圖4為B元素微合金化鈦合金的微觀組織與力學(xué)性能。從圖4可見，B元素的加入顯著細(xì)化了初生β晶粒和α團(tuán)簇，使合金的顯微組織從魏氏組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，并改善了組織的均勻性，同時(shí)降低了α相的織構(gòu)強(qiáng)度。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化促進(jìn)了動態(tài)再結(jié)晶行為，從而增強(qiáng)了合金在室溫和高溫（650℃）下的綜合力學(xué)性能。特別是TiB晶須的形成，使高溫拉伸時(shí)的斷裂模式由解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。此外，B元素的添加還會影響孔洞的生成位置，為分析合金的斷裂機(jī)理提供了新的見解。這項(xiàng)研究不僅深入分析了微量元素對鈦合金性能的影響，還為鈦合金的應(yīng)用和設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。
雖然雜質(zhì)元素（如O、N）會顯著降低鈦合金的延展性，甚至引起脆化，但能夠提高合金的強(qiáng)度。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始拓展思路，探索使用間隙原子O、N來制備具有超高比強(qiáng)度、低成本、高韌性的鈦合金。Zhang等人[21]通過引入間隙元素O、N設(shè)計(jì)了Ti-1800合金（Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N）。圖5為間隙元素（O、N）強(qiáng)化Ti-1800合金的微觀組織與力學(xué)性能。通過析出微米級初級α、納米級次級α和超細(xì)α-Widmanstätten納米沉淀于β基體，使Ti-1800合金的屈服強(qiáng)度達(dá)到1800MPa（圖5c）。在晶界工程（GBE）的作用下，納米沉淀網(wǎng)絡(luò)直接從β晶界（GBs）中析出，增強(qiáng)了晶界的內(nèi)聚力，有效減緩了裂紋尖端的應(yīng)力集中并阻止裂紋擴(kuò)展，從而提升了合金的延展性。采用860℃固溶處理（ST-860）和500℃時(shí)效處理（STA-500）工藝，通過析出納米級α層和α板，實(shí)現(xiàn)了合金的進(jìn)一步強(qiáng)化。從力學(xué)角度分析，富含α晶界的連續(xù)α穩(wěn)定劑（O、N元素）的強(qiáng)度低于沉淀硬化的β基體，導(dǎo)致α晶界與轉(zhuǎn)化后的β基體之間存在強(qiáng)度不匹配，產(chǎn)生顯著的應(yīng)變不相容性，從而引發(fā)晶間斷裂和裂紋分散。此研究采用了間隙溶質(zhì)與晶界工程相結(jié)合的合金設(shè)計(jì)策略，不僅實(shí)現(xiàn)了鈦合金強(qiáng)度和延展性的同步提升，還增強(qiáng)了其對間隙雜質(zhì)的耐受性，為鈦合金性能優(yōu)化提供了創(chuàng)新性途徑。
綜上所述，α穩(wěn)定元素（如Al、C、O、B、N等）通過改變鈦合金的微觀組織和相變行為，對其力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。未來的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注利用先進(jìn)的合金設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化這些α穩(wěn)定元素在鈦合金中的分布和狀態(tài)，以獲得更高的性能，并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。例如，激光選區(qū)熔化等3D打印技術(shù)可以在微觀尺度上精確控制元素分布，從而開發(fā)出具有定制化性能的新型鈦合金。
2.2同晶型β穩(wěn)定元素對鈦合金的影響
在鈦合金的研究中，同晶型β穩(wěn)定元素（如Mo、Ta、V等）通過抑制α相的析出，促進(jìn)β相的形成和穩(wěn)定，從而提升鈦合金的塑性和韌性。同時(shí)，這些元素還可以通過溶質(zhì)原子效應(yīng)和固溶強(qiáng)化機(jī)制，細(xì)化β相晶粒，提高合金的抗變形能力。目前的研究主要集中于不同含量的同晶型β穩(wěn)定元素對鈦合金微觀組織、相變行為和力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及這些元素在β鈦基體中的固溶度和擴(kuò)散行為。Zhang等人[22]在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）合金中添加了10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Mo元素，并通過激光粉末床熔化技術(shù)（L-PBF）制備了相關(guān)合金。研究表明，Mo元素的添加實(shí)現(xiàn)了雙重優(yōu)化效果。首先，未完全溶解的Mo顆粒在凝固過程中作為異質(zhì)成核位點(diǎn)，促進(jìn)了新晶粒的形成，而溶解的Mo溶質(zhì)則創(chuàng)建了過冷區(qū)，從而提高了晶粒細(xì)化效率；其次，溶解的Mo溶質(zhì)在固態(tài)熱循環(huán)中穩(wěn)定了β相，減少了Ti-5553合金中的相異質(zhì)性。這種雙功能添加物導(dǎo)致的微觀組織變化不僅使合金獲得了均勻的力學(xué)性能，還提高了其強(qiáng)度和塑性。該研究表明，通過單一元素的添加可以實(shí)現(xiàn)多層次的組織優(yōu)化和性能提升，為未來合金設(shè)計(jì)提供了新的思路。Choisez等人[23]為克服鈦合金在延展性和斷裂韌性方面的局限性，設(shè)計(jì)了一種新型β亞穩(wěn)態(tài)鈦合金Ti-12Mo，并研究了Mo元素對其力學(xué)性能和斷裂行為的影響，特別分析了相變誘導(dǎo)塑性（TRIP）和孿生誘導(dǎo)塑性（TWIP）的效應(yīng)。圖6為Ti-12Mo合金的工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線及其變形機(jī)制。從圖6可知，Mo元素的添加顯著提升了Ti-12Mo合金的抗損傷性能，使其在遭受損傷時(shí)依然保持良好的耐受性。該合金表現(xiàn)出卓越的延展性和抗塑性局部化能力，得益于TRIP和TWIP效應(yīng)的協(xié)同作用，這種效應(yīng)允許合金在大變形條件下仍具備較高的塑性變形能力。在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，Ti-12Mo合金表現(xiàn)出異常的斷裂現(xiàn)象，包括剪切帶的形成和局部熔化，進(jìn)一步驗(yàn)證了其在斷裂過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶行為。TEM分析揭示了合金剪切帶中的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象及其斷裂機(jī)制，表明這些現(xiàn)象與合金的高溫行為密切相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鈦合金的高溫?cái)嗔研阅芴峁┝诵碌囊暯�，并為未來高性能鈦合金的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
桑彪等人[24]研究了Ta元素對TA23鈦合金顯微組織及腐蝕性能的影響。圖7為不同Ta含量TA23鈦合金的XRD譜圖和極化曲線。隨著Ta含量增加到0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），合金中的初生α相比例增加，而次生α相含量減少，盡管未形成新相，但α相的衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)（圖7a），同時(shí)硬度略有下降，這主要?dú)w因于初生α相的增多。動電位極化曲線（圖7b）顯示，微量Ta元素的加入顯著改善了合金的耐腐蝕性能，提高了自腐蝕電位并降低了自腐蝕電流密度，表明Ta元素的引入有助于提升TA23鈦合金的抗腐蝕能力。
通過對比Mo、Ta等同晶型β穩(wěn)定元素在鈦合金中的添加效果，可以發(fā)現(xiàn)這些元素均顯著改善了鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。Mo和Ta元素的添加不僅促進(jìn)了細(xì)小晶粒的形成，有效抑制了粗大柱狀晶粒的生成，還顯著提升了鈦合金的力學(xué)性能。這些元素的存在不僅有助于穩(wěn)定β相，還抑制了不必要的相變，如ω相和α相的形成，對于合金在高溫高壓環(huán)境下保持性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入探索這些元素的添加比例和制備工藝參數(shù)對鈦合金性能的影響，尤其是它們在不同工藝條件下對顯微組織、相變行為和力學(xué)性能的綜合作用，從而優(yōu)化這些元素的增強(qiáng)增韌效果。
2.3共析型β穩(wěn)定元素對鈦合金的影響
共析型β穩(wěn)定元素（如Fe、Cu、Co、Cr等）在鈦合金中的主要作用是通過形成具有特定成分和結(jié)構(gòu)的共析組織來提升鈦合金的強(qiáng)度和耐磨性。目前的研究內(nèi)容主要集中在這些元素的添加量、冷卻速率及熱處理工藝對微觀組織及其穩(wěn)定性的影響，以及它們在相變過程中與基體的相互作用。此外，學(xué)者們還關(guān)注共析型β穩(wěn)定元素如何通過共析反應(yīng)提高合金的抗疲勞性能和斷裂韌性，這些研究為高性能鈦合金材料的開發(fā)提供了新的方向。
多年來，由于Fe元素成本低廉且具有強(qiáng)β穩(wěn)定性，一直被視為低成本鈦合金及高強(qiáng)鈦合金的理想選擇之一。作為共析型β穩(wěn)定元素，F(xiàn)e能夠與Ti發(fā)生共析相變，生成化合物并降低β相變點(diǎn)[25]。Fe元素的引入會對鈦合金的微觀組織產(chǎn)生顯著影響。研究表明，隨著Fe含量的增加，不同鈦合金體系中的α片層晶粒細(xì)化，α/β相的比例也發(fā)生顯著變化[26]。這種變化主要?dú)w因于Fe與Ti原子之間的屬性差異，導(dǎo)致晶格畸變能增加，并對位錯(cuò)運(yùn)動施加額外的外力。此外，F(xiàn)e溶質(zhì)原子容易形成柯氏氣團(tuán)，從而釘扎位錯(cuò)，大幅提高了合金的強(qiáng)度[27]。
在微量Fe元素改性的Ti-Al-V-Fe合金中，組織通常表現(xiàn)為典型的魏氏組織。圖8為Ti-Al-V-Fe合金的宏觀與微觀組織。如圖8所示，隨著Fe元素含量的增加，β等軸晶粒顯著細(xì)化。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于Fe元素在β晶界的富集，抑制了冷卻過程中β晶粒的長大。此外，微量Fe元素的加入還引發(fā)了β相中V、Fe元素的重新分布，導(dǎo)致晶格畸變和振動增加，從而增大了單相裂紋擴(kuò)展的阻力。因此，F(xiàn)e元素的添加不僅提高了鈦合金的斷裂韌性、硬度和延伸率，還在保持屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對穩(wěn)定的情況下，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與韌性的良好匹配。從熱力學(xué)角度來看，F(xiàn)e是β→α固態(tài)相變過程中最強(qiáng)的β相穩(wěn)定劑之一。Fe元素的引入增強(qiáng)了β相的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并將β相的穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)展至較低溫度范圍[29]。在Ti-Al-V-Fe合金中，隨著Fe元素含量的增加，α片層減少，而β片層增加。α和β片層的形貌主要受均勻化熱處理工藝控制。由于β→α固態(tài)相變具有擴(kuò)散特性，F(xiàn)e作為快擴(kuò)散元素，通過加速元素的分配，促進(jìn)了α和β片層的等軸化過程，從而進(jìn)一步優(yōu)化了鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)�？傮w而言，F(xiàn)e元素通過對微觀組織的調(diào)控和相變行為的影響，顯著提升了鈦合金的力學(xué)性能。Fe元素在β相中的富集與擴(kuò)散，不僅有效抑制了β晶粒的長大，還通過促進(jìn)α和β片層的均勻化和細(xì)化，提升了合金的斷裂韌性和整體力學(xué)性能。未來研究可進(jìn)一步優(yōu)化Fe元素添加量和熱處理工藝，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配，助力高性能鈦合金的開發(fā)。
此外，Goettgens等人[30]通過在Ti-6Al-4V合金中引入微量Cu元素，成功改善了合金的微觀組織。在激光粉末床熔化沉積制備條件下，基體材料由亞穩(wěn)態(tài)等軸β-Ti和Ti2Cu沉淀物組成。由于高熱過冷凝固條件的獨(dú)特性，形成了等軸晶及Ti2Cu沉淀物。組織中的夾雜物主要是不完全熔化的Ti-6Al-4V合金粉末顆粒，這些顆粒主要由α'/α-Ti組成，并且在β-Ti和α'/α-Ti之間的過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)了納米尺寸的α''相。這些觀察結(jié)果揭示了微量Cu元素在鈦合金中的作用機(jī)制，特別是在Ti-Al-V-Cu合金中，Cu元素具有強(qiáng)β相穩(wěn)定效應(yīng)。
Cu元素的添加顯著影響了合金的微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了α''相的形成，并對合金性能產(chǎn)生了積極的影響。研究表明，Cu作為一種用途廣泛的合金元素，對Ti-6Al-4V合金的微觀組織發(fā)展具有重要影響，有助于改善其強(qiáng)度、延展性和整體力學(xué)性能。Co元素在Ti基高溫合金中的添加具有顯著的強(qiáng)化效果，尤其在提升基體強(qiáng)度和高溫性能方面表現(xiàn)突出。Co元素通過固溶強(qiáng)化機(jī)制，可顯著提高Ti50-Pt合金的高溫強(qiáng)度和形狀記憶性能[31]。Yi等人[32]研究了Co元素對Ti-V-Al合金的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Co元素含量的增加，合金的物相組成由α''馬氏體相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;奧氏體相，同時(shí)馬氏體逆相變溫度也逐漸降低，從而穩(wěn)定了β相。添加適量的Co元素不僅能夠提高鈦合金的屈服強(qiáng)度，還能夠增大延伸率，改善綜合力學(xué)性能。Co元素對鈦合金相變行為的影響和力學(xué)性能的綜合改善作用，為開發(fā)高性能鈦合金提供了新的思路。
此外，Zhang等人[33]提出了一種全新的化學(xué)界面工程（CBE）策略，通過引入低成本的快擴(kuò)散元素Cr，成功制備出納米馬氏體Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al合金（x=1.8、2.3、2.8，w/%）。與傳統(tǒng)的熱機(jī)械加工方法不同，該策略通過調(diào)控高溫下合金元素的擴(kuò)散速率差異，形成高密度的化學(xué)界面（CBs），即在晶格連續(xù)區(qū)域內(nèi)至少一個(gè)元素存在濃度梯度的不連續(xù)區(qū)域，如圖9所示。高溫下Cr元素與Al元素?cái)U(kuò)散失配，在每個(gè)β晶粒中形成富Al和貧Cr的納米域，這些納米域在冷卻過程中促進(jìn)了馬氏體的形核�；瘜W(xué)界面的存在限制了馬氏體的快速生長，進(jìn)一步細(xì)化了晶粒。該研究團(tuán)隊(duì)成功制備出迄今為止尺寸最小的納米馬氏體（平均尺寸為20±6nm），且這種合金具有低成本、高比強(qiáng)度及優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。該研究不僅為鈦合金的微觀組織優(yōu)化提供了新思路，也為高性能先進(jìn)鈦合金及其他金屬結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)開辟了新路徑。
綜上所述，通過共析型β穩(wěn)定元素微合金化調(diào)控鈦合金中β相的含量和穩(wěn)定性，顯著擴(kuò)展了鈦合金在高強(qiáng)度和高塑性要求下的應(yīng)用范圍。共析型β穩(wěn)定元素的核心作用在于降低鈦合金的相變溫度，從而促進(jìn)β相的形成與穩(wěn)定。例如，V、Mo元素的引入不僅增強(qiáng)了鈦合金的強(qiáng)度和韌性，還改善了其高溫性能，使鈦合金能夠在極端環(huán)境下發(fā)揮重要作用。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注環(huán)境因素，特別是極端環(huán)境對鈦合金長期穩(wěn)定性的影響。深入理解并優(yōu)化這些β穩(wěn)定元素在各種環(huán)境條件下的表現(xiàn)，將對提升鈦合金的應(yīng)用性能和使用壽命起到關(guān)鍵作用。
2.4中性元素對鈦合金的影響
中性元素（如Sn、Zr、Hf等）在鈦合金中的主要作用是通過改變合金的微觀組織、細(xì)化晶粒以及調(diào)控相變行為，來優(yōu)化鈦合金的力學(xué)性能和物理特性。目前的研究主要集中在這些中性元素對鈦合金晶粒尺寸、相組成、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響機(jī)制，特別是在合金的抗蠕變性、耐腐蝕性及生物相容性方面的改善作用。這些研究不僅有助于深入理解鈦合金中微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，還為新型高性能鈦合金的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了理論支持和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Najafizadeh等人[34]采用TiH和Sn粉末共混壓法制備了Ti-xSn（x=0、5、10、15，w/%）合金，通過光學(xué)顯微鏡和拉伸試驗(yàn)分析了Sn元素添加量對鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。圖10為Ti-xSn合金的顯微組織。從圖10可知，隨著Sn含量的增加，Ti的層狀厚度從10μm減少至6.6μm。根據(jù)Hall-Petch方程，Ti的屈服強(qiáng)度從548.2MPa提高至801.3MPa，顯微硬度從2.285GPa增加至3.038GPa。Zr的添加能夠提高合金的耐腐蝕性能，但可能增加點(diǎn)蝕敏感性[35]。在Zr含量低的鈦合金中，晶粒細(xì)化有效抑制了晶內(nèi)腐蝕孔的形成。然而，在Zr含量高的鈦合金中，盡管晶粒細(xì)化會導(dǎo)致小的腐蝕孔出現(xiàn)頻率增加，但通過形成更多的高價(jià)氧化物和更厚的鈍化膜，合金的耐腐蝕性得以提高，同時(shí)增強(qiáng)了鈍化膜的穩(wěn)定性，抑制了腐蝕孔的進(jìn)一步生長。
Hf元素在鈦合金中的作用也受到了廣泛關(guān)注。Yi等人[36]通過調(diào)節(jié)Hf含量，研究了其對Ti-Ta基形狀記憶合金的相組成、馬氏體相變溫度、熱循環(huán)穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響。研究表明，當(dāng)Hf含量為2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，合金主要由單一的α''馬氏體相組成；當(dāng)Hf含量超過2%時(shí)，β相開始出現(xiàn)。Hf含量的增加降低了馬氏體相變溫度，并抑制了ω相的析出，提升了熱循環(huán)穩(wěn)定性。具體而言，當(dāng)Hf含量為6%時(shí)，合金的屈服應(yīng)力出現(xiàn)先降后升的趨勢，并實(shí)現(xiàn)了4%的完全可恢復(fù)應(yīng)變；而Hf含量為8%時(shí)，合金在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性行為。該研究詳細(xì)探討了Hf含量對Ti-Ta合金相組成及其綜合性能的優(yōu)化效果，為合金性能的調(diào)控提供了新的視角。
2.5稀土元素對鈦合金的影響
稀土元素被譽(yù)為“工業(yè)的維生素”。近年來，稀土元素在鈦合金中的應(yīng)用引起了廣泛的研究興趣。稀土元素對鈦合金的作用機(jī)制主要包括2個(gè)方面：一方面，稀土元素可以凈化鈦合金粉末中的氧，降低氧含量，從而減少間隙固溶強(qiáng)化[37]；另一方面，稀土元素可能在鈦合金中形成高熔點(diǎn)化合物，這些化合物作為異質(zhì)形核點(diǎn)，可以抑制晶粒長大，從而改善鈦合金的力學(xué)性能[38]。稀土元素的加入方式多種多樣，包括直接加入稀土單質(zhì)（如Er、Y等）、稀土中間合金（如Al-Y、Ce-Y等）或稀土氧化物（如Y2O3）。Li等人[39]通過在Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb0.35Si合金中添加Er元素，使合金的晶粒尺寸細(xì)化，并形成了第二相，蠕變性能也有所改善。然而，稀土元素的添加量需要根據(jù)性能變化進(jìn)行優(yōu)化，過高的添加量可能會導(dǎo)致力學(xué)性能下降。因此，稀土元素對性能的具體影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。Weng等人[40-42]研究了稀土元素Sc和Y對生物醫(yī)用Ti-24Nb-38Zr-2Mo（TNZM）合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，Sc和Y元素的添加形成了固溶體，顯著提高了合金的納米硬度，并降低了楊氏模量。Sc元素的加入通過抑制磨損和提高塑性剪切性能，從而提升了合金的耐磨性。Y的添加能有效清除氧，并生成尺寸為幾微米的Y2O3顆粒，這些顆粒沿β晶界分布，能夠延緩晶界遷移并細(xì)化晶粒。此外，Y元素的加入在β晶界兩側(cè)形成了平行的α/β片層結(jié)構(gòu)，而原本交叉的α/β片層結(jié)構(gòu)在Y元素的作用下發(fā)生了改變。與未添加Y元素的Ti-6Al-4V合金相比，添加Y元素略微提高了合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。然而，平行的α/β片層及Y2O3顆粒的存在導(dǎo)致了從解理斷裂到沿晶斷裂的轉(zhuǎn)變，從而顯著降低了伸長率。Y元素的加入生成了Y2O3和YAl2相，Y與O反應(yīng)生成Y2O3，而Y與Al反應(yīng)生成YAl2。當(dāng)Y含量較低時(shí)，主要生成Y2O3；當(dāng)Y含量升高時(shí)，YAl2的量也隨之增加。
在鈦合金增材制造中，Y2O3顆粒作為成核位點(diǎn)，有助于細(xì)化和均勻化組織，從而提升合金的性能。然而，為使合金獲得最佳性能，需要精確控制Y2O3的添加量。過量的Y2O3顆粒可能導(dǎo)致尖端應(yīng)力集中，增加材料斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。南京工業(yè)大學(xué)與南京大學(xué)、北京航空制造技術(shù)研究院探索了在激光熔化沉積（LMD）Ti6Al4V過程中添加不同含量Y2O3顆粒的效果[43]。圖11為Ti6Al4V-xY2O3合金的晶粒分布圖。研究發(fā)現(xiàn)，Ti6Al4V-0.1%Y2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）合金的α相尺寸明顯減小，Y2O3作為成核位點(diǎn)促進(jìn)了α相的等軸化轉(zhuǎn)變，顯著提高了延展性。與Ti6Al4V合金相比，Ti6Al4V-0.1%Y2O3合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了7.75%和10.27%，延伸率從5.97%提升至11.53%。此外，Y2O3還顯著改善了材料的摩擦學(xué)性能，Ti6Al4V-0.5%Y2O3合金的耐磨性提高了3.6倍。這些研究為提升增材制造Ti6Al4V合金的力學(xué)性能提供了新的方法和數(shù)據(jù)支持。
稀土元素憑借其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，顯著改善了鈦合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，對其在航空航天、生物醫(yī)療及汽車工業(yè)等高端領(lǐng)域應(yīng)用具有重要意義。未來研究應(yīng)重點(diǎn)探討稀土元素對鈦合金性能的影響機(jī)制，尤其是在多元合金體系中稀土元素的協(xié)同效應(yīng)及其對合金相變的影響。同時(shí)，隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展，通過第一性原理和多尺度模擬預(yù)測稀土元素對鈦合金性能的影響，將成為關(guān)鍵研究方向，這不僅有助于優(yōu)化合金設(shè)計(jì)，還能有效降低實(shí)驗(yàn)成本。此外，鑒于稀土資源的稀缺性和成本問題，開發(fā)微量稀土或無稀土的新型鈦合金也是未來研究的重要方向。
3、結(jié)語
系統(tǒng)討論了不同合金元素對鈦合金性能的影響，涵蓋了α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素（包括同晶型和共析型）、中性元素及稀土元素。鈦合金微合金化的強(qiáng)化機(jī)制可分為相變演化、晶粒細(xì)化、等軸化、納米析出相析出等，如Al、Mo、Cu、Ta這類強(qiáng)穩(wěn)定元素通過穩(wěn)定α或β相結(jié)構(gòu)，抑制鈦合金中位錯(cuò)運(yùn)動和孿晶變形，增強(qiáng)了鈦合金的塑性和韌性，提高了鈦合金的抗變形能力；C、B、Fe、Sn、Zr、Hf、Mo、Y等元素通過與Ti元素生成新相、形成固溶體、促進(jìn)異質(zhì)形核點(diǎn)形核等，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，進(jìn)而對鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生積極影響，提升鈦合金的可靠性和使用壽命；此外還有一些元素（如O、N）在晶界（GBs）析出納米沉淀網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地提升合金的比強(qiáng)度。
綜上所述，通過合理設(shè)計(jì)微合金化成分及添加形式，可以顯著提升鈦合金的整體性能。未來研究應(yīng)著眼于進(jìn)一步優(yōu)化這些元素的含量、分布及其在鈦合金中的相互作用，結(jié)合先進(jìn)的合金設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)（如增材制造、粉末冶金等），實(shí)現(xiàn)對鈦合金微觀組織的精準(zhǔn)調(diào)控，從而開發(fā)出具有定制化性能的高性能鈦合金材料。這些研究將為鈦合金在極端環(huán)境中的長期穩(wěn)定服役和性能提升提供關(guān)鍵支持，進(jìn)一步推動其在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)References
[1] 莫畏, 鄧國珠, 羅方承. 鈦冶金[M]. 2 版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007.
[2] 張旺峰, 黃旭, 李興無, 等. 鈦合金的設(shè)計(jì)方法及其研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19(3): 1-4.
[3] Lütjering G, Williams J C, Gysler A. Titanium Alloys: Microstructure and Mechanical Properties[M]. Berlin: Springer Press, 2009.
[4] 朱知壽, 王新南, 商國強(qiáng), 等. 新型高性能鈦合金研究與應(yīng)用[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2016, 36(3): 6-11.
[5] Maykuth D J, Ogden H R, Jaffee R I. The Effects of Alloying Elements in Titanium: Constitution[M]. Columbus: Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, 1960.
[6] 王金友 . 論鈦合金的分類 [J]. 稀有金屬材料與工程 , 1982(1): 9-16.
[7] Lu J W, Ge P, Zhao Y Q. Recent development of effect mechanism of alloying elements in titanium alloy design[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(4): 775-779.
[8] Veiga C, Davim J P, Loureiro A J R. Properties and applications of titanium alloys: a brief review[J]. Reviews on Advanced Materials Science, 2012, 32(2): 133-148.
[9] 蔣焓鴻, 姜中濤. 稀土元素對鈦合金組織與性能的影響研究進(jìn)展[J]. 粉末冶金工業(yè), 2021, 31(5): 81-86.
[10] Bermingham M J, McDonald S D, Dargusch M S. Effect of trace lanthanum hexaboride and boron additions on microstructure, tensile properties and anisotropy of Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing[J]. Materials Science and Engineering A, 2018, 719: 1-11.
[11] Huang S X, Zhao Q Y, Wu C, et al. Effects of β-stabilizer elements on microstructure formation and mechanical properties of titanium alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 876: 160085.
[12] Zhu K L, Gui N, Jiang T, et al. The development of the low-cost titanium alloy containing Cr and Mn alloying elements[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2014, 45: 1761-1766.
[13] Wang X, Zhang L J, Ning J, et al. Fe element promotes the transformation from columnar to equiaxed grains and the formation of ultrafine microstructure of Ti-6Al-4V alloy by laser wire deposition[J]. Additive Manufacturing, 2021, 48: 102442.
[14] 朱培亮, 侯云鵬, 陳永瑞, 等. Si元素對鈦合金熱穩(wěn)定性影響研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2024, 41(1): 1-7.
[15] Feng Z H, Jiang X J, Zhou Y K, et al. Influence of beryllium addition on the microstructural evolution and mechanical properties of Zr alloys[J]. Materials & Design, 2015, 65: 890-895.
[16] Azarbarmas M, Emamy M, Rassizadehghani J, et al. The influence of beryllium addition on the microstructure and mechanical properties of Al-15% Mg2Si in-situ metal matrix composite[J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528(28): 8205-8211.
[17] Huang S X, Zhao Q Y, Yang Z, et al. Strengthening effects of Al element on strength and impact toughness in titanium alloy[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 26: 504-516.
[18] Zhang H, Wei B Q, Ou X, et al. Enhancing { 10 12 } twin boundary migration capability in Ti-Al solid solution alloys with increasing Al content[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 147: 217-223.
[19] 呂智丹, 王志毅, 李志剛, 等. C元素添加對近β鈦合金顯 微組織及力學(xué)性能的影響[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2019, 36(5): 5-10.
[20] Ma X Z, Xiang Z L, Ma M Z, et al. Effect of trace boron addition on microstructures, textures, mechanical properties and fracture behaviors of near α titanium alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 772: 138749.
[21] Zhang H, Zhang J Y, Hou J P, et al. Making a low-cost duplex titanium alloy ultra-strong and ductile via interstitial solutes[J]. Acta Materialia, 2022, 223: 117-127. [22] Zhang J Q, Bermingham M J, Otte J, et al. Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design[J]. Science, 2024, 383(6683): 639-645.
[23] Choisez L, Ding L, Marteleur M, et al. High temperature rise dominated cracking mechanisms in ultra-ductile and tough titanium alloy[J]. Nature Communications, 2020, 11: 2110.
[24] 桑彪, 韓汶武, 李樂, 等. Ta元素對TA23合金顯微組織及 腐蝕性能的影響[J]. 鋼鐵釩鈦, 2021, 43(6): 1-8.
[25] Gao X L, Xia C Q, Zhang X Y, et al. Effects of iron content on the microstructure and corrosion behavior of Ti-30Zr-5Al-3V-xFe alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 2018, 218: 87-97.
[26] Ehtemam-Haghighi S, Liu Y, Cao G, et al. Phase transition, microstructural evolution and mechanical properties of Ti-Nb-Fe alloys induced by Fe addition[J]. Materials & Design, 2016, 97: 279-286.
[27] Sandlöbes S, Korte-Kerzel S, Raabe D. On the influence of the heat treatment on microstructure formation and mechanical properties of near-α Ti-Fe alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2019, 748: 301-312.
[28] Chen F W, Gu Y L, Xu G L, et al. Improved fracture toughness by microalloying of Fe in Ti-6Al-4V[J]. Materials & Design, 2020, 185: 108251.
[29] Bo H, Wang J, Duarte L, et al. Thermodynamic re-assessment of Fe–Ti binary system[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(9): 2204-2211.
[30] Goettgens V S, Kaserer L, Braun J, et al. Microstructure of a modulated Ti-6Al-4V-Cu alloy fabricated via in situ alloying in laser powder bed fusion[J]. Materialia, 2023, 28: 101731.
[31] Tong Y, Shuitcev A, Zheng Y. Recent development of TiNi‐based shape memory alloys with high cycle stability and high transformation temperature[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(4): 1900496.
[32] Yi X Y, Sun K S, Sun B, et al. Achieving fine-grained Ti-V-Al light weight shape memory alloys with higher transformation temperature, superior performances by doping Gd[J]. Materials Characterization, 2020, 168: 110534.
[33] Zhang C L, Bao X Y, Hao M Y, et al. Hierarchical nanomartensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy[J]. Nature Communications, 2022, 13: 5966.
[34] Najafizadeh M, Bozorg M, Ghasempour-Mouziraji M, et al. The effect of adding Sn on the mechanical properties and microstructure of the titanium[J]. Materials Letters, 2023, 351: 135044.
[35] Jiang J, Zhao Y W, Wang X X. Effects of Zr addition on the deformation behavior, microstructure and mechanical properties of dental Ti alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 794: 139808.
[36] Yi X Y, Sun K S, Liu JJ, et al. Tailoring the microstructure, martensitic transformation and strain recovery characteristics of Ti-Ta shape memory alloys by changing Hf content[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 83: 123-130.
[37] Wang X H, Liang Y, Zou J T, et al. Effect of rare earth Y addition on the properties and precipitation morphology of aged Cu-Cr-Ti lead frame alloy[J]. Advanced Materials Research, 2010, 97: 578-581.
[38] Grushin I A, Knyazev M I. Influence of rare earth metals on the properties of modern titanium alloys[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1396: 012019.
[39] Li B L, Wang T B, Han P, et al. Effect of rare earth Er on the microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloys[J]. Materials Science Forum, 2017, 898: 586-591.
[40] Weng W J, Biesiekierski A, Lin J X, et al. Impact of rare earth elements on nanohardness and nanowear properties of beta-type Ti-24Nb-38Zr-2Mo alloy for medical applications[J]. Materialia, 2020, 12: 100772.
[41] Li Q, Yang Z D, Xia C Q, et al. Effects of Y addition on microstructure and mechanical properties of Ti-25Zr alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2019, 748: 236-243.
[42] Skvortsova S, Grushin I, Umarova O, et al. Effect of rare-earth element addition on structure of heat-resistant Ti-6.5Al-4Zr-2.5Sn-2.4V-1Nb-0.5Mo-0.2Si titanium alloy[J]. MATEC Web of Conferences, 2017, 114: 02008.
[43] Han W, Min J, Dai G Q, et al. Effect of Y2O3 addition on microstructure and properties of Ti6Al4V by laser melting deposition[J]. Materials Science and Engineering A, 2023, 886: 145694.
[44] 秦成, 侯紅苗, 郭萍, 等. 鈦合金表面激光熔覆涂層及工藝研究進(jìn)展[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2023, 40(4): 44-48.
tag標(biāo)簽:鈦合金