香港城市大学刘锦川教授课题组：一种综合性能远超Ti-6Al-4V的新型α + β钛合金

1. 研究背景

相较于常规结构材料而言，钛合金具有低密度、较高的比强度和良好的抗腐蚀性能。因此，钛合金在诸多关键应用场景中，已日益成为一种不可或缺的的结构材料。但是钛合金高昂的原材料成本以及较差的加工性能极大地增加了材料的使用成本，从而进一步限制了其在普遍场景下的大规模的应用。铸造作为一种成熟且有效的近净成型方式，已广泛应用于低成本、高复杂度的金属件的设计制造。然而，铸造钛合金，如经典的Ti-6Al-4V合金，面临的一个主要问题是在铸造过程中产生的粗大晶粒和析出物微观组织，以及随之而来的相对较差的机械性能。这是因为大多数钛合金（包括 Ti64）都是专为锻造工艺而设计的，所以并没有针对铸造工艺特别优化其微观组织。众所周知，合金化是一种改变合金组织形貌的有效途径，在CALPHAD 软件的辅助之下，本工作基于经典的Ti-6Al-4V合金，成功开发出一种既强又塑的新型钛合金。从而实现低成本，易生产，高性能钛合金的开发与制备。本研究中合金元素的选择基于以下考虑: (1)其对铸件凝固组织的晶粒细化能力;(2)它们对α析出相组织转变和α、β相体积分数变化的影响;(3)避免产生脆性金属间相，(4)原料合金元素材料成本尽量低。尤其考虑到V元素成本高、抗氧化/硫化性能差，应降低其在基准合金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。同时后两种元素对于钛合金微观组织的改善也十分明显。

2. 成果简介

基于以上的合金化策略，在香港城市大学刘锦川教授指导下，张天隆博士联合来自香港城市大学和西安交通大学的研究人员成功研制了一种新型(α + β)钛合金Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe (wt%)，Fe和Cr合金化元素的添加成功细化了铸造合金的晶粒尺寸和析出相厚度，使得该合金在铸造状态下具有较高的强度和良好的塑性。与传统Ti-6Al-4V合金铸态相比，该合金的晶粒尺寸和α板条厚度大幅分别细化了50 %和75%，屈服强度和塑性分别提高了约20%和52%。合金化通过调整合金的过冷能力来实现晶粒细化。此外，Cr和Fe的合金化显著降低了α板条厚度。这种具有良好力学性能的低成本钛合金预计将适用于各种铸造应用场景。

3. 图文导读

图1 （a）~（d）Ti-X (Al, V, Fe, Cr)二元相图；(e)计算Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的生长限制因子Q; (f) Ti-6Al-4V和(g) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的显微组织图

图2  (a)铸态Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(红色)和Ti-6Al-4V(蓝色)合金的x射线衍射图；利用CALPHAD方法计算得到的相体积分数随着温度变化的规律，(b) Ti-6Al-4V和(c) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe；扫描电子显微镜(SEM)图像显示了铸态(d) Ti-6Al-4V和(e) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的全片层组织的析出相形貌。

图3 (a)铸态Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(红色)、Ti-6Al-4V(蓝色)、Ti-6Al-4Cr(灰色)和Ti-6Al-4Fe(黄色)合金的工程应力-应变曲线。(b)理论计算得到的与Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe在成分优化过程中屈服强度增加的来源示意图。PS:组织细化带来的强化效应;GR:晶粒细化带来的Hall-Petch效应;SS:固溶强化效应

图4 铸态(a) Ti-6Al-4V和(b) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的断口形貌，更高放大率的断口显示了铸态(c) Ti-6Al-4V和(d) Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的不同韧窝形态。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114260

本文由虚谷纳物供稿。