Fe代替V制備低成本鈦合金：相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001)

鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、化學(xué)化工等多個(gè)領(lǐng)域[1]。但是鈦合金的產(chǎn)量和用量卻遠(yuǎn)低于鋼鐵、鋁等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dāng)中，真空熔煉及加工占總成本的60%，原材料占40%，同時(shí)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(gè)重要原因[2]。針對這些問題，可以通過使用廉價(jià)合金元素設(shè)計(jì)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(fā)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(dāng)，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(jià)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(fā)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(qiáng)度方面優(yōu)于Ti-6Al-4V，而且成本較低。由于該合金較高的熱處理強(qiáng)化能力和冷成型能力，已經(jīng)被成功地應(yīng)用在了摩托零件的生產(chǎn)當(dāng)中[4]。中國采用廉價(jià)Fe-Mo中間合金設(shè)計(jì)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(yōu)于Ti-6Al-4V[5]。

由于中國V資源較缺，V的價(jià)格昂貴，在設(shè)計(jì)低成本合金過程中，應(yīng)盡量減少其使用量，采用資源豐富、價(jià)格便宜的金屬元素進(jìn)行替代，同時(shí)盡量保證其原有的優(yōu)點(diǎn)，這是設(shè)計(jì)新型低成本鈦合金的根本出發(fā)點(diǎn)。希望通過Fe元素的添加代替部分V元素，實(shí)現(xiàn)低成本鈦合金的制備。本文以Ti-6Al-4V為對比合金，在廉價(jià)合金元素的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和研究低成本鈦合金。本文主要的研究目標(biāo)是:建立一個(gè)可以計(jì)算低成本合金相體積分?jǐn)?shù)的模型，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)合金的相含量的計(jì)算，并與目標(biāo)合金Ti-6Al-4V進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 合金成分的設(shè)計(jì)

由于Fe是穩(wěn)定能力最強(qiáng)的β穩(wěn)定元素，是V元素的4倍以上，1%的Fe會(huì)使鈦合金α/β相變點(diǎn)下降18 ℃[6]，而且Fe元素在穩(wěn)定β相的同時(shí)，還會(huì)微量固溶于鈦合金α基體中，對材料起固溶強(qiáng)化作用[7]。因此成分設(shè)計(jì)時(shí)，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(qiáng)比等強(qiáng)度指標(biāo)。但是Fe元素易產(chǎn)生偏析，在鈦材中形成“β斑”缺陷，會(huì)顯著降低耐蝕性，因此加入最好不超過3%[8]。根據(jù)以上的理論分析，設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)計(jì)算模型的建立

鈦合金中α相是密排六方結(jié)構(gòu)，而β相則是體心立方結(jié)構(gòu)，因此只有3個(gè)滑移系的密排六方晶格的α相的塑性要比擁有12個(gè)滑移系的體心立方低[9]。β相穩(wěn)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?jǐn)?shù)的β相，而α相和β相顯微組織的形態(tài)、大小、體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)是表征鈦合金力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為此，采用β穩(wěn)定系數(shù)Kβ的概念[10-12]，來分析鈦合金中β相的穩(wěn)定程度或β穩(wěn)定元素的作用,并進(jìn)一步計(jì)算β相體積分?jǐn)?shù)。

2.1 淬火臨界晶胞系數(shù)

(1)

式中，mM表示β穩(wěn)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(shù)

(4)

腫瘤患者發(fā)生營養(yǎng)不良的幾率較高,主要是兩個(gè)原因,營養(yǎng)攝入不足以及營養(yǎng)代謝異常,臨床主要表現(xiàn)為機(jī)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(zhì)、水代謝紊亂,表現(xiàn)為惡病質(zhì)狀,因而對腫瘤患者實(shí)施營養(yǎng)支持治療具有重要意義?？茖W(xué)有效的營養(yǎng)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(zhì)量,對于患者的康復(fù)具有重要意義[3]。

(5)

(6)

退火時(shí)每個(gè)β相穩(wěn)定原子可獲得的β-Ti晶胞數(shù)量越多，相應(yīng)的鈦合金中的β相的體積分?jǐn)?shù)就越大，即該元素的β相穩(wěn)定作用越強(qiáng)[13]。

表2 常用β穩(wěn)定元素的和值 of commonly used β-phase stabilizing elements

2.3 相體積分?jǐn)?shù)計(jì)算模型

這樣就可計(jì)算退火態(tài)和淬火態(tài)的鈦合金中α和β相的體積分?jǐn)?shù)。退火態(tài)和淬火態(tài)鈦合金中β相晶胞數(shù)分別為nt和nz，則有

(7)

式(3)和(6)中的數(shù)值50可作為一個(gè)判據(jù)，即當(dāng)鈦合金中nt或nz大于等于50時(shí)，退火態(tài)與淬火態(tài)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(wěn)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(jì)算兩相體積分?jǐn)?shù)，退火和淬火后β相體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算步驟如下：

同理可計(jì)算出各組Ti-Al-V-Fe合金的兩相體積分?jǐn)?shù)，見表3。

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

3 相體積分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為58.18%)、Al顆粒(純度99.99%)、Fe顆粒(純度99.99%)按照熔點(diǎn)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(gè)合金錠采用相同的熔煉參數(shù)，并在每次熔煉后上下翻轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行空冷。所使用的X射線衍射儀型號為X’PERT，在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)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(gè)相都有自己獨(dú)特的X射線衍射花樣。在多相合金的衍射圖像中，通常會(huì)同時(shí)呈現(xiàn)出合金中各個(gè)相的衍射譜線，各相的衍射譜線的強(qiáng)度又與該相在多相合金中的含量有關(guān)系，該相的衍射線條的強(qiáng)度會(huì)隨著它在合金中含量的增加而提高。雖然衍射線條的強(qiáng)度與合金中的相的含量有一定的正相關(guān)關(guān)系，但是完全用衍射線條的強(qiáng)度比來表示各相含量的比例卻又是不正確的，因?yàn)樽V線的強(qiáng)度不光與相的含量有關(guān)，還有其他一些決定因素。

參照文獻(xiàn)[15]中的方法，對合金的相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測量。先測出該相衍射線條最強(qiáng)峰的面積，其面積比就是兩相衍射線的強(qiáng)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?jǐn)?shù)。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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)的數(shù)值和計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算得到的合金的兩相體積分?jǐn)?shù)非常相近，表明利用之前的計(jì)算模型來預(yù)測鈦合金中相體積分?jǐn)?shù)的方法是可行的。而實(shí)測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果存在偏差，可能是因?yàn)樵跁r(shí)效時(shí)存在亞穩(wěn)相分解不完全等因素的影響，使實(shí)測結(jié)果與理想熱力學(xué)狀態(tài)下的計(jì)算值有差異。

4 結(jié) 論

以Ti-6Al-4V合金為目標(biāo)合金，利用Fe元素代替V元素的方法設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)合金基本性能的預(yù)測，建立雙相鈦合金淬火、穩(wěn)定退火后的α、β相的體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算模型，并利用該模型計(jì)算出了兩相的理論值。同時(shí)，利用X射線衍射法測出每組合金的α、β相體積分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果非常相近，表明利用計(jì)算模型來預(yù)測鈦合金相體積分?jǐn)?shù)的方法是可行的，本文建立的模型是可信的。