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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-04-01 20:50
鈦合金具有密度低、比強度和比剛度高、抗腐蝕能力優(yōu)異等特點，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。鈦合金尤其是高強鈦合金是現(xiàn)代飛行器和發(fā)動機的主要制造材料之一，能夠很好地實現(xiàn)減重效果，提高結(jié)構(gòu)效率。
由于高強鈦合金具備高強度密度比、優(yōu)良的淬透性和出色的抗疲勞性等特點，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、火箭）普遍使用高強鈦合金作為主要的結(jié)構(gòu)材料。
高強鈦合金通常指經(jīng)過熱處理后室溫拉伸強度高于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。雖然在鈦合金高強化方面，α+β鈦合金廣泛受到關(guān)注，但在深硬化能力及實際生產(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)性能都會受到合金中所含元素的不同和多少的影響，在設(shè)計高強β鈦合金時應(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行合金化，同時必須考慮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相變點以上淬火得到的組織全部都由β相組成的鈦合金。因為這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，對合金有固溶強化的作用，還可以降低β轉(zhuǎn)變溫度。
20世紀50年代，麥克格維提出按退火后組織中的相種類進行分類。但是在工業(yè)生產(chǎn)中鈦合金總是會出現(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則，同時在設(shè)計鈦合金的成分時鉬當(dāng)量也是一種十分重要的參考準則。
我國常用的鉬當(dāng)量計算公式如式（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)量公式進行修正，式（2）即為修正后的公式。
根據(jù)修正后的計算公式，普遍認為當(dāng)β鈦合金的Mo當(dāng)量大于10%時，在β相區(qū)淬火后獲得的組織就只包含β相。認為當(dāng)8.5%＜[Mo]eq＜10.8%時為近β鈦合金。當(dāng)13.8%＜[Mo]eq＜25%時為亞穩(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，進而對合金產(chǎn)生強化效果。并且在固溶后的時效過程中還會析出彌散的第二相粒子，從而對基體起到析出強化的作用，使合金得到進一步強化。
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，同時還會過度穩(wěn)定β相，使亞穩(wěn)β相在后續(xù)過程中不易分解，減弱它的析出強化能力。
在高強β鈦合金微合金化時常添加的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，在提高合金強度的同時還不會嚴重損害合金塑性。
Mo作為一種強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效的方法大幅度提升合金的強度。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展能力、室溫及高溫強度明顯提升，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相有極強的固溶強化作用，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間（短則幾個小時，長則要幾十天）才會發(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不會造成很嚴重的偏析。并且鉻元素的添加能夠確保鈦合金的熱處理強化效應(yīng)較好，同時還可以改善合金的室溫塑性、強度。然而Cr在高溫下易與Ti反應(yīng)生成TiCr2，會導(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)，若添加量過多會使合金變脆，并且在熔煉時鐵元素還會形成β斑等冶金缺陷，所以要嚴格控制Fe和Cr的含量。
如今β鈦合金在進行成分設(shè)計時，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含量過多會導(dǎo)致合金中形成有序相Ti3Al（α2相），這種有序相在低溫時效時會使合金變脆，且會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度的同時還可以保持較好的塑性；還可以降低鈦合金的熔點及密度，提高合金的抗氧化性能及再結(jié)晶溫度。在熔煉時難熔金屬元素常以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，同時避免鑄錠在熔煉時出現(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32%。Zr、Sn都可以通過固溶強化的方式來提高β鈦合金的強度，并且對亞穩(wěn)β相有很好的穩(wěn)定效果，抑制時效時ω相的析出。此外，Zr、Sn還可以改善鈦合金的熱強性，并且Sn在提高熱強性的條件下沒有對合金的室溫塑性產(chǎn)生不利影響，而Zr在溫度較高時對鈦合金有十分顯著的強化效果。
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β鈦合金，表1列出了部分常用高強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）計算得到的）。
表1 國內(nèi)外研究的部分高強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β鈦合金的發(fā)展
20世紀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)固溶處理及時效后可以得到良好的力學(xué)性能、環(huán)境抗力等特點，且淬火后可以獲得很好的塑性。該合金主要應(yīng)用在飛機高強度板材零件的制造方面。
20世紀70年代初，美國Timet公司和波音公司開發(fā)出一種具備高強度、斷裂韌性、出色的鍛造性能及優(yōu)異的抗裂紋擴展能力的高強韌近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度可以達到1300 MPa。
由于Ti-1023的高強度密度比、高韌性等優(yōu)點，可以很好地實現(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)用于飛機的機身、發(fā)動機，還包括梁、機體鍛件、輔助襟翼滑軌等零部件。飛機型號包括757、F14 和F18等。
20世紀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)計合金成分時去掉了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合金的問世標志著β型鈦合金只能在350℃下使用的時代已成為過去，拓寬了β型鈦合金的應(yīng)用前景。
Ivasishin等研究了多種熱處理條件下β-21S微觀組織與機械性能的變化。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)晶退火及時效后，可以得到良好的強塑性匹配，表2列舉了不同熱處理制度下β-21S合金的部分性能。
表2 不同熱處理條件下β-21S合金的力學(xué)性能
β-21S常用于制造需要在高溫下進行作業(yè)的零件，比如噴管、襯套和發(fā)動機結(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β鈦合金的國家之一。在20世紀中葉，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?；贐T15，俄羅斯又成功研制出另外幾種高強β鈦合金，如BT22、Ti-5553、BT32等。
BT22（Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe）是20世紀70年代前蘇聯(lián)研制出的一種具備高強度、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度（1083 MPa）和良好的斷裂韌性。并且在650 ℃時效后強度明顯得到了提升。表3列出了BT22時效處理后的部分力學(xué)性能。
表3 BT22時效處理后的力學(xué)性能
由于BT22具有高強度、高韌性、良好的焊接性等特點，所以它常用來生產(chǎn)飛機結(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在固溶時效熱處理后屈服強度可以達到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，所以該合金取代了Ti-1023和BT22合金，常用來制造飛機的起落架和高強緊固件等。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β鈦合金的力學(xué)性能
2.國內(nèi)高強β鈦合金的發(fā)展
我國在很早的時候就已經(jīng)對高強β鈦合金的開發(fā)進行了探索，但開始階段以仿制為主。
20世紀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)的牌號為TB2。合金在略高于相變點進行固溶和時效后，屈服強度能夠達到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，又包含亞穩(wěn)定β型鈦合金的優(yōu)點，該合金不僅有較高的比強度、斷裂韌性及淬透性，還有優(yōu)良的熱加工性能以及機加工性能，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，比如飛機起落架、發(fā)動機外殼等零部件，是一種非常理想的結(jié)構(gòu)材料。
自新世紀以來，我國鈦合金行業(yè)得到飛速的發(fā)展，其中高強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有較高的強度（1100 MPa）及良好的塑性，可用于飛機鍛造部件的制造。
寶雞有色金屬加工廠自主研發(fā)了一種新型高強β鈦合金B(yǎng)Ti-6554（Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al），該合金有較好的強度塑性匹配，經(jīng)過熱處理后強度可以提高到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β鈦合金的成分、應(yīng)用與強度。
表5 中國部分高強β鈦合金的力學(xué)性能
小尺寸間隙元素對β鈦合金的強化
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)性能會產(chǎn)生不同影響，很難做出準確的預(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)會產(chǎn)生不同的影響，且有利有弊。雖然可能會影響合金的塑性，但是通過嚴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)致位錯很難移動且容易塞積，進而提升合金的強度。因此，很多研究者常利用氧的間隙強化作用來獲得高強度的鈦合金。
藍春波等以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。試驗結(jié)果表明，在時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數(shù)和(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度均隨其增加而升高。在450 ℃下時效24小時后 ，TNZS-0.6O合金的屈服強度為1460 MPa，明顯高于TNZS合金的1250 MPa，以及TNZS-0.3O合金的1310 MPa。這表明氧確實對鈦合金有強化效果，且強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，合金擁有較高的強度以及良好的塑性，此時合金具有優(yōu)異的強塑性匹配。
Furuta發(fā)現(xiàn)隨著氧含量的增加會抑制ω、α?的析出，同時會對合金產(chǎn)生強化效果，使合金強度上升。他們認為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的抗拉強度為1370 MPa，伸長率為12%。在350℃下時效600 s后，合金的強度比冷軋狀態(tài)下提升了大約130 MPa，達到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的抗拉強度為680 MPa，而添加了0.2% O元素合金的抗拉強度則高達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，雖然會導(dǎo)致晶粒尺寸變大，但合金的成形率、彈性變形率、強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度，但會使塑性變形能力大大降低，且冷軋會使含氧合金表現(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。
雖然一些試驗表明向鈦合金中添加氧元素會抑制第二相的析出，但對于鈦合金中氧含量的這種動力學(xué)機制還存在一些爭議。
例如，Niinomi等由大量試驗結(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）和Md（電子能級），從而促進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)該進行系統(tǒng)的研究。但可以確定的是氧作為一種間隙強化元素，它的加入確實能夠?qū)︹伜辖甬a(chǎn)生強化效果。
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)研究了很長一段時間。研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金中添加這種元素會導(dǎo)致屈服強度和硬度值普遍增加，平均晶粒尺寸減小，但會使延伸率有所降低。
此外還發(fā)現(xiàn)在一定范圍中，每增加0.05%含量的氮，合金的強度就會增加 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，同時可以通過強化β基體從而對合金進行強化。
Ramarolahy等觀察了氮元素對Ti-24Nb的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響，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會抑制α?的形成。在性能方面，Ti-24Nb-0.5N的屈服強度和極限抗拉強度較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鈦合金具有強化效果。但是，由于N是α穩(wěn)定元素，所以在β鈦合金中實現(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中加入碳元素會細化β晶粒及時效后的α晶粒，并且C與鈦基體會發(fā)生反應(yīng)生成不可變形的碳化物，從而提高合金強度及硬度，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會導(dǎo)致鈦合金嚴重脆化，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的添加被廣泛認為對鈦合金的機械性能有害，即使添加量很小也會對合金的屈服強度和延伸率產(chǎn)生不利的影響，且初始彈性模量也會有所下降。因此，氫元素的存在被認為是不利的，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?，F(xiàn)如今已投入應(yīng)用的β鈦合金牌號中最新的仍然是Ti-55531。阻礙β鈦合金發(fā)展的主要原因有三個：
1.成本問題
目前投入實際生產(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。同時為了避免熔煉時出現(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現(xiàn)。
3.性能方面
對于β鈦合金來說，追求高強度的同時勢必會對合金的塑韌性產(chǎn)生影響。目前面臨的一大難題就是如何在保證高強度的同時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展速率。而這一問題也阻礙了高強β鈦合金在應(yīng)用方面的發(fā)展，這也導(dǎo)致了高強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研究的方向之一。
2.高強高韌鈦合金
考慮到高強β鈦合金的實際應(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度，同時還要保證合金具有良好的斷裂韌性，以求得到良好的強度與韌性的匹配。而現(xiàn)在實際應(yīng)用的β鈦合金很難滿足這個要求。因此，高強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、低彈性模量β鈦合金已成為最近的研究熱點之一。
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。
5.超高強鈦合金
現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的高強β鈦合金的使用強度大多低于1300 MPa，對于強度超過1300 MPa的超高強鈦合金的研究還不成熟。目前，對于超高強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制、強韌化理論等方面的研究。若能清楚地了解超高強度鈦合金成分-工藝-組織-性能之間的聯(lián)系，了解強韌化機制，對實現(xiàn)超高強β鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用有很大幫助。
來源：鋼鐵釩鈦
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