Ti2448鈦合金的設計及研制思路

Ti2448鈦合金兼具高強度、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對于人體沒有毒性，同時也是對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二元系作為合金設計的基礎體系。Ti2448鈦合金設計的新思路，成功制備了高強度低模量鈦合金Ti2448（Ti-24Nb-4Zr-8Sn）：(1)采用無毒性/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)以理論計算結(jié)果為依據(jù)，通過合金化進一步降低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現(xiàn)超高強度，可逆馬氏體相變在某種條件下則導致形狀記憶效應和超彈性；亞穩(wěn)b型鈦合金具有實現(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)，因為在該區(qū)易形成脆性的ω相。我們采用添加合金元素Zr和Sn的組合設計，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，顯著降低了實現(xiàn)這一亞穩(wěn)態(tài)所需的臨界電子濃度（以往認為約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算方法、通過計算平均每個原子結(jié)合能相對于單胞體積的關系曲線、獲得晶體體模量的方法，并計算了一系列鈦與過渡族金屬組成的二元合金的體模量，成功預測了添加Zr可以進一步降低b-鈦的體模量。實驗研究進一步發(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)過優(yōu)化的Ti-Nb-Zr合金在Sn含量為8%時出現(xiàn)體模量的極小值。