Fe代替V制備低成本鈦合金：相體積分數的計算

王 亮，顏 卉，陳 云，駱良順，蘇彥慶，郭景杰

(金屬精密熱加工國家級重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150001)

鈦及鈦合金因密度小、比強度高、無磁性、耐腐蝕、耐高溫以及良好的生物相容性等一系列優點，廣泛應用于航空航天、汽車制造、化學化工等多個領域[1]。但是鈦合金的產量和用量卻遠低于鋼鐵、鋁等傳統結構材料，限制其廣泛使用的最主要因素就是成本十分高昂。造成鈦合金成本高的因素當中，真空熔煉及加工占總成本的60%，原材料占40%，同時鈦加工材料利用率低(棒材一般為5%，板材約50%)也是造成鈦合金高成本的一個重要原因[2]。針對這些問題，可以通過使用廉價合金元素設計合金、改善合金的加工特性、提高能源和材料的利用率等方法降低鈦合金成本。美國開發了TI-METAL LCB合金(Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe)用以替代成本較高的Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)，這種合金的性能與Ti-6Al-4V相當，但其制造成本卻只有Ti-6Al-4V的八成左右，開啟了以Fe等廉價金屬元素來取代V元素而降低成本的一種低成本鈦合金的發展方向[3]。日本則研制了具有超塑性的鈦合金Ti-4.5Αl-3V-2Mo-2Fe，這種合金不但在強度方面優于Ti-6Al-4V，而且成本較低。由于該合金較高的熱處理強化能力和冷成型能力，已經被成功地應用在了摩托零件的生產當中[4]。中國采用廉價Fe-Mo中間合金設計研究出近α型Ti8LC和近β型Ti12LC 低成本鈦合金，具有良好的室溫拉伸性能，優于Ti-6Al-4V[5]。

由于中國V資源較缺，V的價格昂貴，在設計低成本合金過程中，應盡量減少其使用量，采用資源豐富、價格便宜的金屬元素進行替代，同時盡量保證其原有的優點，這是設計新型低成本鈦合金的根本出發點。希望通過Fe元素的添加代替部分V元素，實現低成本鈦合金的制備。本文以Ti-6Al-4V為對比合金，在廉價合金元素的基礎上設計和研究低成本鈦合金。本文主要的研究目標是:建立一個可以計算低成本合金相體積分數的模型，實現對設計合金的相含量的計算，并與目標合金Ti-6Al-4V進行對比驗證。

1 合金成分的設計

由于Fe是穩定能力最強的β穩定元素，是V元素的4倍以上，1%的Fe會使鈦合金α/β相變點下降18 ℃[6]，而且Fe元素在穩定β相的同時，還會微量固溶于鈦合金α基體中，對材料起固溶強化作用[7]。因此成分設計時，合理提高鈦合金中Fe元素含量，在不影響塑、韌性前提下，可有效提高材料屈強比等強度指標。但是Fe元素易產生偏析，在鈦材中形成“β斑”缺陷，會顯著降低耐蝕性，因此加入最好不超過3%[8]。根據以上的理論分析，設計了4種不同成分的Ti-Al-V-Fe合金，見表1。

表1 合金的名義成分Tab.1 Nominal compositions of Ti-Al-V-Fe alloys

2 相體積分數計算模型的建立

鈦合金中α相是密排六方結構，而β相則是體心立方結構，因此只有3個滑移系的密排六方晶格的α相的塑性要比擁有12個滑移系的體心立方低[9]。β相穩定元素的存在，使得α+β鈦合金和β鈦合金通過退火和淬火后，室溫組織中能夠保留一定體積分數的β相，而α相和β相顯微組織的形態、大小、體積分數和排列方式等決定了鈦合金的各種性能。因此，鈦合金中α相和β相的體積分數是表征鈦合金力學性能的一個重要指標。為此，采用β穩定系數Kβ的概念[10-12]，來分析鈦合金中β相的穩定程度或β穩定元素的作用,并進一步計算β相體積分數。

2.1 淬火臨界晶胞系數

(1)

式中，mM表示β穩定元素M的原子量，mTi表示Ti元素的原子量。

(2)

(3)

2.2 退火臨界晶胞系數

(4)

腫瘤患者發生營養不良的幾率較高,主要是兩個原因,營養攝入不足以及營養代謝異常,臨床主要表現為機體能量消耗異常,碳水化合物、蛋白以及骨骼肌消耗異常,電解質、水代謝紊亂,表現為惡病質狀,因而對腫瘤患者實施營養支持治療具有重要意義。科學有效的營養支持治療能夠明顯改善患者的身體情況,提高治療療效以及患者的生活質量,對于患者的康復具有重要意義[3]。

(5)

(6)

退火時每個β相穩定原子可獲得的β-Ti晶胞數量越多，相應的鈦合金中的β相的體積分數就越大，即該元素的β相穩定作用越強[13]。

表2 常用β穩定元素的和值 of commonly used β-phase stabilizing elements

2.3 相體積分數計算模型

這樣就可計算退火態和淬火態的鈦合金中α和β相的體積分數。退火態和淬火態鈦合金中β相晶胞數分別為nt和nz，則有

(7)

式(3)和(6)中的數值50可作為一個判據，即當鈦合金中nt或nz大于等于50時，退火態與淬火態在室溫下組織全為β相組織，反之，鈦合金室溫存在α相，因此有以下公式：

(8)

(9)

(10)

Ti-Al-V-Fe系合金中的β穩定元素為V和Fe，由于V和Fe的添加量的不同，以Ti-6Al-3V-1Fe合金為例來計算兩相體積分數，退火和淬火后β相體積分數的計算步驟如下：

同理可計算出各組Ti-Al-V-Fe合金的兩相體積分數，見表3。

表3 每組合金的Kβ值以及α和β相體積分數Tab.3 Kβ value,α and β phase volume fractions of alloys

3 相體積分數的測定

合金的制備工藝如下：按比例稱重，將原料海綿鈦(純度99.8%)、Al-V中間合金(V 的質量分數為58.18%)、Al顆粒(純度99.99%)、Fe顆粒(純度99.99%)按照熔點從低到高順序依次置于真空非自耗電弧爐的水冷銅坩堝中，熔煉成紐扣錠。每個合金錠采用相同的熔煉參數，并在每次熔煉后上下翻轉倒置后再次熔煉，以保證成分均勻。每組成分的合金用線切割切取其紐扣錠的中心部分，打磨去除表面氧化皮后用酒精超聲清洗。將試樣真空封管后置入熱處理爐中進行熱處理。淬火工藝：升溫速率為10 ℃/min，升溫至1 200 ℃，保溫2 h后直接水淬。退火工藝：升溫速率為10 ℃/min，升溫至780～800 ℃，保溫2 h后進行空冷。所使用的X射線衍射儀型號為X’PERT，在室溫下進行，實驗測量的角度為20°～90°，采用Cu靶Kα輻射，加速電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度2～5(°)/min，步長為0.033°。

每個相都有自己獨特的X射線衍射花樣。在多相合金的衍射圖像中，通常會同時呈現出合金中各個相的衍射譜線，各相的衍射譜線的強度又與該相在多相合金中的含量有關系，該相的衍射線條的強度會隨著它在合金中含量的增加而提高。雖然衍射線條的強度與合金中的相的含量有一定的正相關關系，但是完全用衍射線條的強度比來表示各相含量的比例卻又是不正確的，因為譜線的強度不光與相的含量有關，還有其他一些決定因素。

參照文獻[15]中的方法，對合金的相體積分數進行了測量。先測出該相衍射線條最強峰的面積，其面積比就是兩相衍射線的強度比。再通過查閱兩相譜線求出K值，即可得出合金中β相的體積分數。圖1為合金的X射線衍射圖譜。用X射線衍射法測量得到的各組合金的β相體積分數見表4。

圖1 各組合金的X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction patterns of Ti-Al-V-Fe alloys

表4 各組合金的β相體積分數Tab.4 β phase volume fractions of alloys %

通過對比X射線衍射法測量出的β相體積分數的數值和計算模型的計算結果，可以發現實驗結果與理論計算得到的合金的兩相體積分數非常相近，表明利用之前的計算模型來預測鈦合金中相體積分數的方法是可行的。而實測結果和預測結果存在偏差，可能是因為在時效時存在亞穩相分解不完全等因素的影響，使實測結果與理想熱力學狀態下的計算值有差異。

4 結 論

以Ti-6Al-4V合金為目標合金，利用Fe元素代替V元素的方法設計了幾種合金，用以降低鈦合金的制備成本。以Ti-6Al-3V-1Fe合金為例實現對設計合金基本性能的預測，建立雙相鈦合金淬火、穩定退火后的α、β相的體積分數的計算模型，并利用該模型計算出了兩相的理論值。同時，利用X射線衍射法測出每組合金的α、β相體積分數，發現實測結果與模型計算結果非常相近，表明利用計算模型來預測鈦合金相體積分數的方法是可行的，本文建立的模型是可信的。