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

1、鈦及鈦合金由于比強(qiáng)度高和抗腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)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(xué)工程等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，長(zhǎng)期以來(lái)一直是材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中β鈦合金相對(duì)于α及α+β鈦合金具有比強(qiáng)度更高、冷加工性能更好等優(yōu)點(diǎn)。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)合金是β鈦合金的一種，它因具有強(qiáng)度高、延展性好、冷加工性能優(yōu)異等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。但該合金含有大量貴重元素V，因此限制了其進(jìn)一步的發(fā)

2、展。本文通過(guò)d-電子合金設(shè)計(jì)方法和鉬當(dāng)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(jià)的元素代替部分V設(shè)計(jì)低成本β鈦合金，同時(shí)利用B的細(xì)化晶粒作用，進(jìn)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(jì)方法是從原子內(nèi)部作用力著手，而合金的力學(xué)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(jià)值，所設(shè)計(jì)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(shí)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到789MPa，斷裂延伸率是20.6％；經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，其抗拉強(qiáng)度可高達(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，以Ti-9V-3Al-4Sn-5Mo為基體，通過(guò)添加微量B以進(jìn)一步改善合金力學(xué)性能。研究結(jié)果顯示合金強(qiáng)度隨著B(niǎo)含量的增加而顯著提高，其中合金在時(shí)效態(tài)時(shí)強(qiáng)度最大，其次是軋制態(tài)，固溶態(tài)時(shí)的強(qiáng)度最低。合金塑性一方面隨著B(niǎo)含量

4、的增加先增加后減少，其臨界值大約是B=0.05%，即當(dāng)B含量小于0.05%時(shí)，合金塑性隨著B(niǎo)的增加而增加，反之，當(dāng)B含量大于0.05%時(shí)，合金塑性隨著B(niǎo)的增加而減少；另外一方面，合金固溶態(tài)時(shí)的塑性最好，其次是軋制態(tài)，而時(shí)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(shí)效態(tài)時(shí)的抗拉強(qiáng)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(gè)合金的性能已經(jīng)與參照合金Ti-15-3的性能相當(dāng)，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(jì)方法，根據(jù)鉬當(dāng)量原理設(shè)計(jì)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(qiáng)度和塑性等性能有明顯波動(dòng)，尤其是時(shí)效態(tài)，其性能要明顯差一些。具體表現(xiàn)為強(qiáng)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)