鈦合金因其高比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性而成為最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。由于其原材料成本高，其應(yīng)用大多局限于飛機(jī)、潛艇等高端先進(jìn)系統(tǒng)。此外，大多數(shù)鈦合金的可加工性較差，大大增加了其在制造過程中的生產(chǎn)成本。因此，開發(fā)具有近凈成形制造能力的低成本、高性能鈦合金勢在必行。鑄造技術(shù)是一種成熟、有效的近凈成形技術(shù)，常規(guī)鑄造已用于制備純Ti和Ti-6Al-4V零件。鑄態(tài)Ti及其合金相關(guān)的一個(gè)主要問題是其粗大的晶粒和析出相組織，以及相對(duì)較差的力學(xué)性能。大多數(shù)Ti合金(包括Ti64合金)最初是為鍛造工藝而設(shè)計(jì)的，而沒有對(duì)其鑄態(tài)時(shí)的微觀組織進(jìn)行優(yōu)化。鑄態(tài)的Ti64合金具有較大的晶粒和粗大的α簇，這是其力學(xué)性能較差的主要原因。在鑄造應(yīng)用中，考慮到鑄造后不進(jìn)行熱機(jī)械處理以降低成本，優(yōu)化合金成分以控制鑄態(tài)組織就變得至關(guān)重要。

香港城市大學(xué)的研究人員借助相圖計(jì)算方法，開發(fā)出一種新型的強(qiáng)韌性鑄造鈦合金Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(wt%)，與鑄態(tài)Ti-6Al-4V合金相比，晶粒尺寸明顯細(xì)化，屈服強(qiáng)度和塑性分別提高了19.7%和51.8%。相關(guān)論文以題為“A new α+β Ti-alloy with refined microstructures and enhanced mechanical properties in the as-cast state”發(fā)表在Scripta Materialia。

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

本研究中合金元素的選擇基于以下考慮：(1)在鑄造過程中晶粒細(xì)化的能力；(2)對(duì)α相和β相微觀組織及體積分?jǐn)?shù)變化的影響；(3)不存在脆性金屬間相；(4)合金元素原料成本低?？紤]到V元素成本高且抗氧化/硫化性能差，在基礎(chǔ)合金Ti64中應(yīng)降低其含量，以Cr和Fe替代。Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金相較于鑄態(tài)Ti64晶粒尺寸和α板條厚度明顯細(xì)化了50-75%，顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能，合金的屈服強(qiáng)度為1057±39 MPa，拉伸伸長率為8.5±0.6%，塑性的提高是由于β相分?jǐn)?shù)的增加以及晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)化，而強(qiáng)度的增加歸因于的固溶強(qiáng)化、Hall-Petch效應(yīng)和第二相強(qiáng)化協(xié)同作用。

圖1 (a-d) Ti-X (Al, V, Fe, Cr)二元相圖；(e)計(jì)算出Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的生長限制因子Q以及平均晶粒尺寸的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果；(f)和(g)為合金晶粒組織的光學(xué)顯微圖

圖2 (a)鑄態(tài)合金的XRD結(jié)果；(b, c)兩種合金的相分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系；(d, e)合金的顯微組織

圖3 (a)鑄態(tài)合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b)與Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe成分優(yōu)化過程中屈服強(qiáng)度增量的來源示意圖

圖4 (a, b) 鑄態(tài)合金的斷口； (c, d) 鑄態(tài)合金的斷口形貌

綜上所述，本文證實(shí)了一種新的策略，在CALPHAD計(jì)算的幫助下設(shè)計(jì)出一種強(qiáng)韌性的新型鑄態(tài)鈦合金。通過添加1 wt%的Cr和Fe，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe的過冷能力得到提高，凝固過程中晶粒明顯細(xì)化，鑄錠無宏觀偏析現(xiàn)象。細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)、α板條厚度、固溶強(qiáng)化以及較高的β相殘留率共同促進(jìn)了Ti合金強(qiáng)度和塑性的提高。此外，這種新型的低成本合金只含2%的V，而不是4%的V，有望提高合金的耐蝕性。本文方法不僅開發(fā)出了一種有前途的鑄造型鈦合金，可以取代目前廣泛應(yīng)用的鑄造Ti64合金，還為設(shè)計(jì)具有近凈成形能力的新一代金屬材料(如鑄造、增材制造等等)提供了理論基礎(chǔ)。