钛合金Ti2448设计原则

   2020-09-01 互联网中国铸造网12610
核心提示:采用以下合金设计的新思路,成功制备了高强度低模量钛合金Ti2448(Ti-24Nb-4Zr-8Sn):(1)采用无毒性/低毒

采用以下合金设计的新思路,成功制备了高强度低模量钛合金Ti2448(Ti-24Nb-4Zr-8Sn):(1)采用无毒性/低毒性合金元素;(2)充分抑制ω相和形变诱发马氏体相变;(3)将b相稳定到室温,通过合金化控制相稳定性使其仍处于亚稳状态,以利于合金的弹性变形;(4)以理论计算结果为依据,通过合金化进一步降低b相的本征模量。

Nb对于人体没有毒性,同时也是对b相稳定作用最弱的b稳定化元素,符合上述合金元素选择原则,因此我们采用Ti-Nb二元系作为合金设计的基础体系。处于亚稳状态的材料具有一些常态下所不具备的特殊性能,例如,纳米金属材料和金属玻璃可以实现超高强度,可逆马氏体相变在某种条件下则导致形状记忆效应和超弹性;亚稳b型钛合金具有实现低弹性模量的潜力,但是合金电子浓度为4.1~4.2的范围通常被视为禁区,因为在该区易形成脆性的ω相。我们采用添加合金元素Zr和Sn的组合设计,在电子浓度为4.15的成分条件下,成功抑制了包括ω相在内的2种切变型相变和2种扩散型相变,在较低合金化条件下将高温的体心立方结构晶体稳定到室温,显著降低了实现这一亚稳态所需的临界电子浓度(以往认为约4.24),这种亚稳状态在常规的钛合金熔炼和加工工艺条件下可以重现,从而实现材料的工业规模制备与加工。

早在10年前,我们提出了采用第一原理计算方法、通过计算平均每个原子结合能相对于单胞体积的关系曲线、获得晶体体模量的方法[3],并计算了一系列钛与过渡族金属组成的二元合金的体模量,成功预测了添加Zr可以进一步降低b-钛的体模量[4]。实验研究进一步发现,Sn除了能够有效降低马氏体转变温度外,还可以显著改变b-钛的体模量,使经过优化的Ti-Nb-Zr合金在Sn含量为8%时出现体模量的极小值[5]。在上述工作基础上研制的Ti2448合金兼具高强度、高韧性和低弹性模量、低泊松比、超弹性以及高阻尼性能等多功能特性。


 
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