香港城市大學劉錦川教授課題組：一種綜合性能遠超Ti-6Al-4V的新型α + β鈦合金

1. 研究背景

相較于常規結構材料而言，鈦合金具有低密度、較高的比強度和良好的抗腐蝕性能。因此，鈦合金在諸多關鍵應用場景中，已日益成為一種不可或缺的的結構材料。但是鈦合金高昂的原材料成本以及較差的加工性能極大地增加了材料的使用成本，從而進一步限制了其在普遍場景下的大規模的應用。鑄造作為一種成熟且有效的近凈成型方式，已廣泛應用于低成本、高復雜度的金屬件的設計制造。然而，鑄造鈦合金，如經典的Ti-6Al-4V合金，面臨的一個主要問題是在鑄造過程中產生的粗大晶粒和析出物微觀組織，以及隨之而來的相對較差的機械性能。這是因為大多數鈦合金（包括?Ti64）都是專為鍛造工藝而設計的，所以并沒有針對鑄造工藝特別優化其微觀組織。眾所周知，合金化是一種改變合金組織形貌的有效途徑，在CALPHAD 軟件的輔助之下，本工作基于經典的Ti-6Al-4V合金，成功開發出一種既強又塑的新型鈦合金。從而實現低成本，易生產，高性能鈦合金的開發與制備。本研究中合金元素的選擇基于以下考慮: (1)其對鑄件凝固組織的晶粒細化能力;(2)它們對α析出相組織轉變和α、β相體積分數變化的影響;(3)避免產生脆性金屬間相，(4)原料合金元素材料成本盡量低。尤其考慮到V元素成本高、抗氧化/硫化性能差，應降低其在基準合金Ti64中的含量，所以本工作用少量的Cr和Fe元素替代部分替代V。同時后兩種元素對于鈦合金微觀組織的改善也十分明顯。

2. 成果簡介

基于以上的合金化策略，在香港城市大學劉錦川教授指導下，張天隆博士聯合來自香港城市大學和西安交通大學的研究人員成功研制了一種新型(α + β)鈦合金Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe (wt%)，Fe和Cr合金化元素的添加成功細化了鑄造合金的晶粒尺寸和析出相厚度，使得該合金在鑄造狀態下具有較高的強度和良好的塑性。與傳統Ti-6Al-4V合金鑄態相比，該合金的晶粒尺寸和α板條厚度大幅分別細化了50 %和75%，屈服強度和塑性分別提高了約20%和52%。合金化通過調整合金的過冷能力來實現晶粒細化。此外，Cr和Fe的合金化顯著降低了α板條厚度。這種具有良好力學性能的低成本鈦合金預計將適用于各種鑄造應用場景。

3. 圖文導讀

圖1 （a）~（d）Ti-X (Al, V, Fe, Cr)二元相圖；(e)計算Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的生長限制因子Q;?(f) Ti-6Al-4V和(g) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的顯微組織圖

圖2 ?(a)鑄態Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(紅色)和Ti-6Al-4V(藍色)合金的x射線衍射圖；利用CALPHAD方法計算得到的相體積分數隨著溫度變化的規律，(b) Ti-6Al-4V和(c) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe；掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示了鑄態(d) Ti-6Al-4V和(e) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的全片層組織的析出相形貌。

圖3 (a)鑄態Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(紅色)、Ti-6Al-4V(藍色)、Ti-6Al-4Cr(灰色)和Ti-6Al-4Fe(黃色)合金的工程應力-應變曲線。(b)理論計算得到的與Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe在成分優化過程中屈服強度增加的來源示意圖。PS:組織細化帶來的強化效應;GR:晶粒細化帶來的Hall-Petch效應;SS:固溶強化效應

圖4 鑄態(a) Ti-6Al-4V和(b) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的斷口形貌，更高放大率的斷口顯示了鑄態(c) Ti-6Al-4V和(d) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的不同韌窩形態。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114260

本文由虛谷納物供稿。