Ti2448鈦合金的設(shè)計(jì)及研制思路

Ti2448鈦合金兼具高強(qiáng)度、高韌性和低彈性模量、低泊松比、超彈性以及高阻尼性能等多功能特性。Nb對(duì)于人體沒(méi)有毒性，同時(shí)也是對(duì)b相穩(wěn)定作用最弱的b穩(wěn)定化元素，符合上述合金元素選擇原則，因此我們采用Ti-Nb二元系作為合金設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)體系。Ti2448鈦合金設(shè)計(jì)的新思路，成功制備了高強(qiáng)度低模量鈦合金Ti2448（Ti-24Nb-4Zr-8Sn）：(1)采用無(wú)毒性/低毒性合金元素；(2)充分抑制ω相和形變誘發(fā)馬氏體相變；(3)將b相穩(wěn)定到室溫，通過(guò)合金化控制相穩(wěn)定性使其仍處于亞穩(wěn)狀態(tài)，以利于合金的彈性變形；(4)以理論計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，通過(guò)合金化進(jìn)一步降低b相的本征模量。

處于亞穩(wěn)狀態(tài)的材料具有一些常態(tài)下所不具備的特殊性能，例如，納米金屬材料和金屬玻璃可以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)度，可逆馬氏體相變?cè)谀撤N條件下則導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)和超彈性；亞穩(wěn)b型鈦合金具有實(shí)現(xiàn)低彈性模量的潛力，但是合金電子濃度為4.1~4.2的范圍通常被視為禁區(qū)，因?yàn)樵谠搮^(qū)易形成脆性的ω相。我們采用添加合金元素Zr和Sn的組合設(shè)計(jì)，在電子濃度為4.15的成分條件下，成功抑制了包括ω相在內(nèi)的2種切變型相變和2種擴(kuò)散型相變，在較低合金化條件下將高溫的體心立方結(jié)構(gòu)晶體穩(wěn)定到室溫，顯著降低了實(shí)現(xiàn)這一亞穩(wěn)態(tài)所需的臨界電子濃度（以往認(rèn)為約4.24），這種亞穩(wěn)狀態(tài)在常規(guī)的鈦合金熔煉和加工工藝條件下可以重現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)材料的工業(yè)規(guī)模制備與加工。

早在10年前，我們提出了采用第一原理計(jì)算方法、通過(guò)計(jì)算平均每個(gè)原子結(jié)合能相對(duì)于單胞體積的關(guān)系曲線、獲得晶體體模量的方法，并計(jì)算了一系列鈦與過(guò)渡族金屬組成的二元合金的體模量，成功預(yù)測(cè)了添加Zr可以進(jìn)一步降低b-鈦的體模量。實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Sn除了能夠有效降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度外，還可以顯著改變b-鈦的體模量，使經(jīng)過(guò)優(yōu)化的Ti-Nb-Zr合金在Sn含量為8%時(shí)出現(xiàn)體模量的極小值。