合金元素對Ti-Mo合金的相結構和力學性能的影響

顧蘇怡 周正存 敖 培

（1.蘇州市職業大學，江蘇蘇州 215104；2.晉元高級中學，上海 200333）

自從Baker［1］發現Ti-35Nb（質量分數／% ，下同）合金具有形狀記憶效應以來，β型形狀記憶鈦合金因具有良好的生物相容性且無毒，已得到了較多的研究［2-6］。純鈦有同素異構轉變，低溫下為密排六方（hcp）結構的α-Ti，還有體心立方（bcc）結構的β-Ti［7］。低溫下，如果加入β 相穩定劑Nb、Mo等，也能得到β相。當β相穩定劑的加入量超過一定值時，可獲得全部為β相的組織［7］。添加β相穩定劑的鈦合金淬火后可獲得α′（hcp）相、α″（正交馬氏體）相和βM（亞穩β）相或其混合物，最終相組成決定于β相穩定劑的加入量。在特定溫度下，鈦合金中α″和β相會相互轉化并形成形狀記憶效應［6］。一方面，最大轉變應變小，另一方面，βM相是亞穩相，在加熱過程中會轉變成ω相，將對鈦合金的形狀記憶效應及力學性能產生不利影響［8-9］，這兩方面都與β相穩定劑的類型和體積分數有關。有研究指出，Nb、Mo、Fe、Cr等是β 相穩定劑，而Al、Sn 等是α 相穩定劑［10］，Al能降低馬氏體相變的起始溫度，細化晶粒，產生固溶強化［10-11］。Sn是α相穩定劑，但能阻礙ω相的形成，增加β相的穩定性［10］。Fe是β相穩定劑，但能形成共析相及化合物從而減少緩冷時β相的數量［10］。可以看出，關于鈦合金的α和β相穩定劑對相組成的影響，以上報道尚存在分歧和不確定性。因此，添加元素對相結構、組織及力學性能的影響還需作進一步研究。本文在Ti-12Mo合金中加入Al、Fe、Sn、Nb等合金元素，研究這些元素的加入對其相結構和力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

在氬氣保護下，采用真空電弧熔煉制備不同化學成分的鈦合金鑄錠。原材料為純Ti（99.99%，質量分數，下同）、純Mo（99.9%）、純Nb（99.9%）、純Al（99.999%）、純Fe（99.99%）和純Sn（99.9%）。合金鑄錠質量約為100 g，成分分別為Ti-12Mo、Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Sn，Fe，Nb）。將鑄錠在1 100℃軋制成圓形，切割成5 mm×5 mm×10 mm試樣用于X射線衍射測定等。熱處理工藝為在氬氣中加熱至950℃保溫30 min爐冷或水冷。

采用Brook D8 ADVANCE型X射線衍射儀檢測鈦合金的相組成，銅靶，波長λ＝0.154 nm，散射角度2θ＝20°～80°，采用E／A-QT-01 型力學測試儀測定不同化學成分的合金熱處理后的壓縮性能，獲得壓縮應力-應變曲線。

2 結果和討論

2.1 相結構

圖1和圖2分別為950℃加熱后爐冷和水冷的Ti-12Mo合金和Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Fe，Nb，Sn）合金的X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）圖譜。可以看出，950℃加熱后爐冷的Ti-12Mo合金組織由α和β相組成，而水冷的Ti-12Mo合金則存在α″+βM相。

XRD圖譜表明，加入第3種元素對950℃加熱后爐冷和水冷的Ti-12Mo基合金的α、α′／α″、β 或βM相均有影響。從圖1可以看出，從950℃爐冷的含鋁Ti-12Mo合金中α相的衍射峰強度增大，這與文獻［10］一致，表明Al是α相穩定劑。盡管Sn也是α相穩定劑，但其抑制了ω相的形成，從而提高了β相數量［8］。Fe是β相穩定劑，β相的峰高應增強，但它能增強α相的峰高。其原因可能是Fe促進了β相和α相共析產物的形成，轉化成了α相和金屬化合物，從而提高了α相數量［10］。Nb也是β相穩定劑，但它提高了α相數量。

圖1 從950℃爐冷的Ti-12Mo和Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Fe，Nb，Sn）合金的XRD 圖譜Fig.1 XRD patterns of the Ti-12Mo and Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Fe，Nb，Sn）alloys cooled in furnace from 950℃

圖2表明，加入2%Fe的Ti-12Mo合金組織均為βM相，說明Fe能穩定β相。從950℃水冷的Ti-12Mo-2Nb合金中βM相的數量少于水冷的Ti-12Mo-2Fe合金，可見Nb也能穩定β相，但其穩定作用比Fe小。Sn能促進β相的形成，盡管它是α相穩定劑，但在退火時能阻礙β→ω轉變。然而對于從950℃水冷的Ti-12Mo合金，Sn仍具有穩定α相的作用，因為沒有β→ω轉變，從而增加了α″相的數量。與經相同熱處理的Ti-12Mo合金相比，從950℃水冷的Ti-12Mo-2Sn合金中α″相的數量更多。同理，加入Al的Ti-12Mo合金中α″相的數量增加，進一步證實了Al是α相的強穩定劑。

圖2 從950℃水冷的Ti-12Mo和Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Fe，Nb，Sn）合金的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of the Ti-12Mo and Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Fe，Nb，Sn）alloys cooled in water from 950℃

2.2 力學性能

2.2.1 爐冷和水冷Ti-12Mo合金的楊氏模量、屈服強度及彈性應變

圖3是從950℃爐冷和水冷的Ti-12Mo合金的壓縮應力-應變曲線。可以看出，爐冷Ti-12Mo合金的屈服強度和彈性模量比水冷合金的高。這與相結構的差異有關，爐冷Ti-12Mo合金組織為α+β相，而水冷Ti-12Mo合金組織為α″+βM相，還有少量α′相（如圖1和圖2所示）。根據文獻［3］，與α及α+β相比，α″相的楊氏模量較小。另外，亞穩態βM相比穩態β相的體積分數小，楊氏模量也最小［12］。同樣，穩定的β相使彈性模量增大［13］。因此，水冷Ti-12Mo合金的模量小于爐冷Ti-12Mo合金。從圖4可以看出，水冷Ti-12Mo合金的屈服強度遠高于爐冷合金，說明在水冷過程中形成了ω相，而ω相能顯著提高屈服強度［14］。ω相非常細小，很難被檢測到。另外，α″相會降低強度［15］。從圖3可明顯看出，水冷Ti-12Mo合金的彈性應變遠大于爐冷Ti-12Mo合金，后者彈性應變很小。水冷Ti-12Mo合金的高彈性應變系應力誘發的α″?β 相變所致［1，6］。

圖3 從950℃爐冷和水冷的Ti-12Mo合金的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of the Ti-12Mo alloy cooled from 950℃in furnace and in water

圖4 從950℃水冷的Ti-12Mo和Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Sn，Fe，Nb）合金的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the Ti-2Mo and Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Sn，Fe，Nb）alloys cooled from 950℃in water

2.2.2 水冷Ti-12Mo-2X（X ＝Al，Sn，Fe，Nb）合金的楊氏模量、屈服強度和超彈性應變

圖4是從950℃水冷的Ti-12Mo-2X（X＝Al，Sn，Fe，Nb）合金的壓縮應力-應變曲線，表明了4種元素加入對水冷Ti-12Mo合金力學性能的影響。其中，Ti-12Mo-2Fe合金的楊氏模量最大，Ti-12Mo和Ti-12Mo-2Nb合金次之，Ti-12Mo-2Al合金的楊氏模量最小。可見與α和α+β相比，α″相的楊氏模量最小［3］。從圖2所示的XRD圖譜可以看出，水冷的Ti-12Mo-2Al合金中α″相最多，而水冷的Ti-12Mo-2Fe合金沒有α″相。另外，水冷的Ti-12Mo合金中Al和Sn都是α相穩定劑，而Fe和Nb都是β相穩定劑。最不穩定的β相楊氏模量最小［12］，而最穩定的β相楊氏模量最大，這與本文結果一致。從圖4可以看出，從950℃水冷的Ti-12Mo-2Fe合金的屈服強度最高，而Ti-12Mo-2Sn合金的屈服強度最低。這是因為Ti-12Mo-2Sn合金中α″相更多，從而強度降低［15］。另外圖4表明，Ti-12Mo-2Al合金的超彈性應變最大，其次是Ti-12Mo-2Sn、Ti-12Mo-2Nb和Ti-12Mo合金，Ti-12Mo-2Fe合金的最小。超彈性應變是由應力誘發的α″?β相變引起的［16］。可見只有同時具有α″相和βM相的合金才能產生應力誘發的超彈性，具有βM單相或幾乎是βM單相的合金不會產生超彈性應變。

3 結論

（1）Al是α相穩定劑，能增加從950℃爐冷的Ti-12Mo-2Al合金中的α相和水冷的Ti-12Mo-2Al合金中的α″相，減少βM相。

（2）Fe是β相穩定劑，與水冷的Ti-12Mo合金相比，Ti-12Mo-2Fe合金的組織全部為βM相，Fe在緩冷條件下能促進化合物形成，從而減少β相。

（3）Sn是α相穩定劑，可以增加水冷Ti-12Mo-2Sn合金中的α″相，阻礙β→ω相變并降低β相的轉變溫度，從而增加Ti-12Mo-2Sn合金中的β相。

（4）含有α″和βM相的合金超彈性應變更好，楊氏模量更小。從950℃水冷的Ti-12Mo-2Al合金楊氏模量最小，屈服強度最高。水冷的Ti-12Mo基合金，隨著α″相數量的增加，其楊氏模量減小而超彈性應變增大。