體心立方Ti-Mo基鈦合金應(yīng)用研究進(jìn)展

向 力，閔小華，弭光寶

(1 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

體心立方Ti-Mo基鈦合金應(yīng)用研究進(jìn)展

向 力1，閔小華1，弭光寶2

(1 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024； 2北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

綜述了國(guó)內(nèi)外β型Ti-Mo基鈦合金在航空航天、生物醫(yī)療、海洋工程以及新能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展情況。重點(diǎn)介紹了馬氏體相變、孿生和位錯(cuò)滑移變形方式耦合強(qiáng)韌化途徑，以及變形組織和相變相結(jié)合來(lái)調(diào)控合金的力學(xué)性能。指出了多變形方式Ti-Mo基鈦合金向高性能及多功能特性發(fā)展的方向。

Ti-Mo基鈦合金；變形方式；高性能；多功能

鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等諸多優(yōu)良性能，使其廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、航海、冶金、化工、能源、機(jī)械、交通等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)退火后的組織可以將鈦合金分為三類(lèi)：α鈦合金、α+β鈦合金以及β鈦合金。鉬作為有效的β相穩(wěn)定元素，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)并能與β鈦形成無(wú)限固溶，同時(shí)鉬當(dāng)量常用于作為衡量β相穩(wěn)定性的重要參數(shù)。我國(guó)鉬資源豐富，儲(chǔ)量約占全球總量的38%，而且作為合金元素在提高鋼鐵以及鎳合金的性能方面發(fā)揮了重要的作用[1,2]。在眾多鈦合金中，體心立方β型Ti-Mo基鈦合金具有良好的耐腐蝕性、優(yōu)良的時(shí)效強(qiáng)化性(ω相和α相)和塑性變形方式的多樣性(變形誘發(fā)α″馬氏體和ω相變、{332}113和{112}111孿生、位錯(cuò)滑移)，顯示了較好的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，β型Ti-Mo基鈦合金具有孿生誘發(fā)塑性變形和馬氏體誘發(fā)塑性變形效應(yīng)(TWIP/TRIP)、形狀記憶和超彈性，以及低彈性模量、耐腐蝕、阻燃、阻尼、儲(chǔ)氫和生物相容性等結(jié)構(gòu)功能特性[3-6]。然而，針對(duì)Ti-Mo基鈦合金的研究進(jìn)展還鮮見(jiàn)相關(guān)報(bào)道；因此，本文綜述Ti-Mo基鈦合金在航空航天、生物醫(yī)用、海洋工程、新能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)在不同領(lǐng)域向高性能和多功能發(fā)展的方向進(jìn)行了展望。

1 航空航天領(lǐng)域

輕質(zhì)高性能鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用是衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，國(guó)內(nèi)外針對(duì)航空用鈦合金的研制取得了很大的進(jìn)步。其中，β型Ti-Mo基鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、高損傷容限以及抗高溫氧化等優(yōu)良的綜合性能匹配，從而成為先進(jìn)飛機(jī)制造的主要結(jié)構(gòu)材料之一。實(shí)際應(yīng)用的Ti-Mo基鈦合金主要有美俄開(kāi)發(fā)的Beta-Ⅲ, β-21S, BT22以及中國(guó)研制的TB3, TB10等。各合金的名義成分、牌號(hào)以及部分力學(xué)性能如表1所示[7-14]。

美國(guó)Crucible公司于1969年研制的亞穩(wěn)β鈦合金B(yǎng)eta-Ⅲ(Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn)，在固溶處理狀態(tài)下具有較好的加工成形性能，經(jīng)時(shí)效處理后可以獲得較高的強(qiáng)度與較好的塑性，主要應(yīng)用于波音747飛機(jī)的鉚螺釘和艙門(mén)彈簧。Timet公司在1988年開(kāi)發(fā)的亞穩(wěn)β鈦合金β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)[7]，具有較高的高溫強(qiáng)度和良好的蠕變性能，麥道公司將其作為抗氧化箔材應(yīng)用于鈦基復(fù)合材料的基體。另外，該合金在B777飛機(jī)的整流錐、噴口和后防護(hù)罩以及A330飛機(jī)的PW-4168發(fā)動(dòng)機(jī)中也有應(yīng)用。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代研制出的BT22(Ti-5Mo-5Al-5V-1Fe-1Cr)是一種近β鈦合金，具有高強(qiáng)韌以及焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于制造蘇-27飛機(jī)的主起落架扭力臂和前起落架左右支架，同時(shí)還被應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件和航天器機(jī)械承載部件[15]。另外，在BT22合金的基礎(chǔ)上通過(guò)合金成分的設(shè)計(jì)與調(diào)整，又研制出了Ti-5553，Ti-55531以及BT37三種航空用鈦合金。其中，Ti-5553(Ti-5Mo-5Al-5V-3Cr)合金是一種高強(qiáng)度的近β鈦合金[8]，與Ti-1023，BT22合金相比，具有更高的強(qiáng)度和塑韌性匹配，目前已經(jīng)應(yīng)用于波音787飛機(jī)的起落架部件和飛機(jī)的骨架結(jié)構(gòu)。由空客公司與俄羅斯VSMPO公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Ti-55531(Ti-5Mo-5Al-5V-3Cr-1Zr)合金是一種應(yīng)用于A380的機(jī)翼與掛架連接裝置的新型鈦合金，該合金具有加工性能好、淬透性高及焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn), 因此比較適用于機(jī)翼/吊掛接頭、起落架以及起落架/機(jī)翼接頭等要求高強(qiáng)高韌的零部件[9]。BT37合金是全俄輕金屬研究院研制的一種β鈦合金[10]，其名義化學(xué)成分為T(mén)i-5Mo-5Al-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，該合金在BT22合金的基礎(chǔ)上添加了Sn和Zr，目的是為了提高合金退火狀態(tài)下的力學(xué)性能和高溫強(qiáng)度，適于制造工作溫度在300～350℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓機(jī)盤(pán)件和葉片。

表1 航空航天用Ti-Mo基合金的力學(xué)性能[7-14]Table 1 Mechanical properties of Ti-Mo base alloys for aerospace[7-14]

TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al)合金是一種亞穩(wěn)β鈦合金[16]，在固溶處理狀態(tài)下具有優(yōu)異的冷加工成形性，經(jīng)時(shí)效處理后可以獲得較高的強(qiáng)度，主要用于Y-7，J-8，J-10飛機(jī)緊固件[11]?！熬盼濉逼陂g研制的亞穩(wěn)型TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金，其高溫強(qiáng)度和蠕變性能較好，同時(shí)具有較高的抗氧化性能等[17]。TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金是一種近β型鈦合金，該合金具有比強(qiáng)度高、斷裂韌度好、淬透性高等特點(diǎn)，用于制造飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的鍛造零件。近β型TB13(Ti-7.5Mo-4.8Nb-3.8Ta-3.6Zr-4Cr-2Al)合金具有良好的熱處理強(qiáng)化能力，通過(guò)調(diào)整不同的時(shí)效制度，可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度和塑性的匹配[12]，是潛在的航空用結(jié)構(gòu)材料。TB20合金是以“臨界鉬當(dāng)量條件下的多元強(qiáng)化”為原則，設(shè)計(jì)的一種高強(qiáng)度亞穩(wěn)β鈦合金[13]，其名義成分為T(mén)i-5Mo-3.5Al-4V-2Cr-1Fe-2Zr-2Sn，具有強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度等綜合優(yōu)良性能。最近研發(fā)的Ti-7333(Ti-7Mo-3Cr-3Nb-3Al)近β鈦合金[14]，具有高的抗拉強(qiáng)度(1250～1400MPa)，良好的伸長(zhǎng)率(8%)，同時(shí)還具有淬透性高、可鍛性能好、對(duì)偏析不太敏感以及斷裂韌度好等優(yōu)點(diǎn)，適合于制造承受力較大的零部件。

對(duì)于航空領(lǐng)域用β型Ti-Mo合金，往往通過(guò)熱機(jī)械加工處理以及后續(xù)的時(shí)效析出α相來(lái)提高其強(qiáng)度，而力學(xué)性能潛力遠(yuǎn)沒(méi)有挖掘出來(lái)。傳統(tǒng)的立方晶系金屬的塑性變形主要以位錯(cuò)滑移為主導(dǎo)，在位錯(cuò)主導(dǎo)變形條件下可通過(guò)固溶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化、加工強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化來(lái)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高材料強(qiáng)度。但是基于阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)強(qiáng)化大多(除細(xì)晶強(qiáng)化外)提高強(qiáng)度的同時(shí)降低塑性；因此，需要探索新的強(qiáng)韌化方法，并與傳統(tǒng)強(qiáng)化方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)β型Ti-Mo合金強(qiáng)韌化和性能優(yōu)化。圖1(a)，(b)分別為鈦合金與鋼鐵材料的室溫抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率[18]?？梢?jiàn)，β鈦合金(其中包括β型Ti-Mo基鈦合金)的強(qiáng)塑積最大值為30000MPa·%，而孿生誘發(fā)塑性變形鋼(TWIP鋼)的最大值可以達(dá)到60000MPa·%。面心立方晶系的Fe-Mn基合金的TRIP/TWIP效應(yīng)，已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注，并對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[19-21]?；谒苄宰冃沃械腡RIP/TWIP效應(yīng)，該類(lèi)合金實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性(韌性)的良好匹配。在體心立方晶系金屬中，β鈦合金在常溫、低速變形條件下呈現(xiàn)塑性變形方式的多樣化，如位錯(cuò)滑移、{332}113孿生變形[22,23]、α″馬氏體相變誘發(fā)變形[24,25]，也具備TRIP/TWIP效應(yīng)[26-28]。β型Ti-Mo合金的β相穩(wěn)定性較低時(shí)以變形誘發(fā)α″馬氏體相變或{332}113孿生方式主導(dǎo)變形，而β相穩(wěn)定性較高時(shí)則以位錯(cuò)滑移方式變形，其室溫拉伸性能明顯依賴(lài)于不同的塑性變形方式?；趯\生/馬氏體相變/滑移耦合強(qiáng)韌化，以及和細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化(α相、ω相)等傳統(tǒng)強(qiáng)韌化的疊加，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化的“相乘效果”，有望在較大范圍內(nèi)調(diào)控合金的強(qiáng)度和塑韌性；因此，深入研究β型Ti-Mo基鈦合金變形機(jī)制，并與傳統(tǒng)的強(qiáng)韌化手段相結(jié)合進(jìn)一步挖掘合金的強(qiáng)韌化潛力，大幅度提高其使用性能，有助于進(jìn)一步開(kāi)拓其航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

圖1 鈦及鈦合金(a)與鋼鐵(b)的力學(xué)性能[18]Fig.1 Mechanical properties of titanium and its alloy (a) and steels (b)[18]

2 生物醫(yī)用領(lǐng)域

作為外科植入體的生物醫(yī)用材料須在長(zhǎng)期的生理環(huán)境中具有良好的力學(xué)相容性，即具有足夠的強(qiáng)度與韌性，同時(shí)其彈性模量應(yīng)盡量與人骨組織的彈性模量(10～30GPa) 接近。另外，生物醫(yī)用材料還應(yīng)具有良好的生物相容性，即無(wú)毒，不會(huì)使機(jī)體產(chǎn)生過(guò)敏、炎癥以及排斥反應(yīng)等。傳統(tǒng)的外科植入物醫(yī)用金屬材料有不銹鋼、鈷合金和鈦合金三類(lèi)。鈦合金因其強(qiáng)度高、密度小、生物相容性好、彈性模量低、無(wú)磁性等特性而被越來(lái)越多地應(yīng)用于外科植入材料領(lǐng)域。Ti-6Al-4V合金在人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品、脊柱內(nèi)固定系統(tǒng)等方面是目前應(yīng)用最廣泛的生物醫(yī)用金屬材料，但由于V和Al元素對(duì)人體潛在的危害，使其應(yīng)用受到了一定的限制[29,30]。強(qiáng)度和塑性匹配優(yōu)良，生物相容性更好、彈性模量更低的新型β鈦合金是生物醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域中各國(guó)爭(zhēng)相研究的重點(diǎn)。已經(jīng)報(bào)道過(guò)的生物醫(yī)用β鈦合金包括Ti-Mo，Ti-Nb-Fe，Ti-Nb-Zr，Ti-Nb-Ta-Zr，Ti-Mo-Zr-Al系鈦合金等[31,32]，其中，醫(yī)用Ti-Mo基鈦合金主要有Ti-15Mo, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Timetal-21SRx等。各合金的名義成分及力學(xué)性能如表2所示[33-41]。

英國(guó)IMI公司于1958年開(kāi)發(fā)的Ti-15Mo合金是一種耐腐蝕鈦合金，具有彈性模量低(約為78GPa)和生物相容性好等特點(diǎn)[33]，主要應(yīng)用于矯形植入用材料，且已經(jīng)被列入美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM F2066。日本在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的亞穩(wěn)β鈦合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (JIS T7401-6)，其強(qiáng)度高、彈性模量低、焊接性能好、耐腐蝕性好[34]，且經(jīng)時(shí)效處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)1100MPa。美國(guó)于1992年開(kāi)發(fā)的Ti-12Mo-6Zr-2Fe (ASTM F1813) 合金[35]，其彈性模量低，且強(qiáng)度、斷裂韌度、耐磨性以及耐腐蝕等綜合性能優(yōu)良，應(yīng)用于矯形器件。由Timet公司研制的β-21S合金發(fā)展而來(lái)的β-21SRx(Ti-15Mo-3Nb-0.2Si-0.3O)合金，具有比強(qiáng)度高、冷加工性好、抗氧化性和耐腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，同時(shí)還具有較低的彈性模量[36]，可以作為外科手術(shù)用器具以及植入材料。

表2 Ti-Mo基生物醫(yī)用合金的力學(xué)性能[33-41]Table 2 Mechanical properties of Ti-Mo base alloys for biomedical applications[33-41]

人們對(duì)Ti-Mo基鈦合金的生物相容性、彈性模量以及力學(xué)性能做了大量的基礎(chǔ)研究工作。例如，對(duì)于Ti-Mo二元系鈦合金，Ho[37]比較了Ti-7.5Mo，c.p. Ti，Ti-15Mo以及TC4合金的力學(xué)性能與耐腐蝕性，結(jié)果表明Ti-7.5Mo合金的抗拉強(qiáng)度高于c.p.Ti與Ti-15Mo合金，其彈性模量最低(70GPa)；Alves等[42]的研究表明Ti-10Mo合金具有較好的耐腐蝕性；Zhou等[38]報(bào)道了Ti-10Mo合金在淬火后具有較好的韌性；另外，Ti-(4-20)Mo合金在林格溶液和人工唾液中顯示出優(yōu)異的耐腐蝕性等[43]。對(duì)于Ti-Mo三元系鈦合金，Gordin等[39]研究發(fā)現(xiàn)Ti-12Mo-5Ta合金與TC4合金相比，能更好地讓細(xì)胞黏附以及移動(dòng)，而且具有較高的維氏硬度，低的彈性模量，比較適合于骨植入材料；Zhao等[40]的研究結(jié)果表明Ti-12Mo-5Zr合金的彈性模量為64GPa，并且耐腐蝕性?xún)?yōu)于TC4合金，可以用作整形外科植入物；Ti-Mo-Nb系合金具有較低的彈性模量、較好的生物相容性以及綜合力學(xué)性能，其中包括Ti-15Mo-(5,10)Nb[44]，Ti-12Mo-3Nb[41], Ti-10Mo-3Nb[45]合金等。另外，一定成分的Ti-Mo基鈦合金具有形狀記憶效應(yīng)而被生物醫(yī)用材料的研究者廣泛關(guān)注，如Kim等[46]報(bào)道的Ti-6Mo-3Ga合金以及Maeshima等[47,48]報(bào)道的Ti-5Mo-(2-5)Ag, Ti-5Mo-(1-3)Sn以及Ti-6Mo-(4-6)Sc合金；Zhou等[49]研究發(fā)現(xiàn)Ti-(8-11)Mo-4Nb-2V-3Al合金恢復(fù)應(yīng)變能達(dá)到3%，也是潛在的生物醫(yī)用材料。

生物醫(yī)用金屬材料的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)是生物相容性與力學(xué)相容性[50]。由于服役環(huán)境和用途不同，加之外科手術(shù)的難易程度不同，對(duì)植入物材料的生物和力學(xué)性能要求也不盡相同。如人工關(guān)節(jié)要求保證足夠強(qiáng)度的同時(shí)彈性模量盡可能與骨組織接近，防止“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象的發(fā)生；血管支架要求保證有足夠支撐力的同時(shí)必須具有優(yōu)良的順應(yīng)性，即材料要有高的彈性模量；脊柱固定系統(tǒng)用到的連接棒要求低彈性模量以盡可能與骨組織的模量匹配，而從外科手術(shù)的角度考慮則要求適當(dāng)高彈性模量，以降低手術(shù)中連接棒“反彈”現(xiàn)象的發(fā)生。如日本東北大學(xué)[51]在利用變形誘發(fā)ω相調(diào)控β鈦合金的彈性模量以改善連接棒反彈現(xiàn)象，并對(duì)此進(jìn)行了嘗試。良好的力學(xué)相容性要求對(duì)材料的強(qiáng)度、塑性與彈性模量進(jìn)行綜合調(diào)控和優(yōu)化組合。β型Ti-Mo基鈦合金的塑性變形組織(馬氏體、孿晶、位錯(cuò))以及相變組織(α″，ω，α)多樣性的特點(diǎn)，為較大范圍內(nèi)調(diào)控其力學(xué)相容性提供了可能，加之β型Ti-Mo基鈦合金良好的生物相容性，有助于進(jìn)一步開(kāi)拓其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3 海洋工程及新能源領(lǐng)域

對(duì)于特殊工程領(lǐng)域中使用的結(jié)構(gòu)材料，如深井和深海油氣開(kāi)采、海洋能、核能和地?zé)岬睦玫?，必須在極其嚴(yán)酷的服役環(huán)境下滿(mǎn)足質(zhì)量輕、承載大、壽命長(zhǎng)、安全可靠等性能要求，這使得耐腐蝕性能和力學(xué)性能匹配良好的鈦合金成為先進(jìn)工程裝備設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵支撐材料之一。為了提高鈦合金在苛刻服役環(huán)境下的耐腐蝕能力，特別是其抗縫隙耐腐蝕能力，往往需要在合金中添加鈀(Pd)和釕(Ru)等稀少且貴重的合金元素，如表3所示[52-54]。另一方面，Ti-Mo基鈦合金在熱的濃鹽酸、中等濃度硫酸和酸性鹽湖鹵水中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能[55]。鉬元素顯著降低鈦的陽(yáng)極溶解傾向表現(xiàn)為致鈍電流密度降低與陽(yáng)極極化曲線的活化區(qū)縮小，陽(yáng)極極化過(guò)程受阻導(dǎo)致合金自溶解速度的降低，從而提高了鈦的穩(wěn)定性[56]。例如我國(guó)于“九五”期間研制出一種近β高強(qiáng)高韌TB19 (Ti-5Mo-5V-3Al-4Cr-2Zr)合金[57]，該合金強(qiáng)度高、斷裂韌度高、強(qiáng)度和塑性匹配良好，同時(shí)具有良好的焊接性能和耐應(yīng)力腐蝕性以及耐海水腐蝕沖刷性，可用于制作船舶的機(jī)械部件和高壓容器等。

表3 惡劣環(huán)境用耐縫隙腐蝕鈦及鈦合金[52-54]Table 3 Crevice corrosion resistant titanium and its alloys in severe environments[52-54]

Min等[58-62]報(bào)道了β型Ti-Mo基鈦合金在高溫以及高酸高鹽(373K，0.5pH，10%NaCl)的介質(zhì)環(huán)境下(用于模擬海水縫隙腐蝕環(huán)境)具有良好的抗縫隙腐蝕能力。利用鉬(Mo)當(dāng)量參數(shù)以及電子合金設(shè)計(jì)理論參數(shù)bond order (Bo)來(lái)設(shè)計(jì)高強(qiáng)韌以及高抗縫隙腐蝕β型Ti-Mo基鈦合金。其中Bo用來(lái)表征原子之間電子元的重疊，是原子間共價(jià)鍵強(qiáng)度的量度。通過(guò)Mo當(dāng)量控制β型Ti-Mo基鈦合金的相穩(wěn)定性以便控制合金的變形方式，如位錯(cuò)滑移、{332}113孿生、α″馬氏體相變；另一方面通過(guò)選擇Bo值高的合金元素來(lái)提高合金的抗縫隙腐蝕能力。在設(shè)計(jì)的一系列Ti-Mo-Fe系以及Ti-Mo-Zr-Fe系合金中，如表4所示[58-62]，Ti-10Mo-2Fe以及Ti-15Mo-5Zr合金具有良好的力學(xué)匹配，其中Ti-15Mo-5Zr合金的力學(xué)性能和抗縫隙腐蝕性能匹配優(yōu)良。另外，通過(guò)控制β型Ti-Mo基鈦合金中雜質(zhì)元素氧的含量，提高其力學(xué)性能的同時(shí)，并未降低合金在高溫以及高酸高鹽介質(zhì)環(huán)境下的抗縫隙腐蝕能力[62]；不過(guò)在通過(guò)析出α相提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，其抗縫隙腐蝕能力有所降低。當(dāng)然，在介質(zhì)環(huán)境更惡劣的條件下，如溫度更高，并含有大量CO2以及H2S等氣氛環(huán)境下，有待于進(jìn)一步加強(qiáng)β型Ti-Mo基鈦合金的抗縫隙腐蝕以及抗應(yīng)力腐蝕性能方面的基礎(chǔ)研究工作。

在海洋工程與新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中使用鈦及鈦合金，盡管開(kāi)始的投資費(fèi)用較高，但由于其優(yōu)異的力學(xué)和耐腐蝕性能，加之質(zhì)量輕和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分看好?；讦滦蚑i-Mo基鈦合金具有良好的抗縫隙腐蝕能力和力學(xué)性能匹配，在某些特殊服役環(huán)境下有望取代含有Pd和Ru合金元素的鈦及鈦合金，開(kāi)拓其在深井和深海油氣開(kāi)采、海洋能利用、核能和地?zé)岬睦玫阮I(lǐng)域的應(yīng)用前景。

4 其他領(lǐng)域

β型Ti-Mo基鈦合金在汽車(chē)方面也具有一定的應(yīng)用，如美國(guó)Timet公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的低成本LCB(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)β鈦合金，具有密度低，彈性模量小，耐腐蝕性好以及較好的加工性能，同時(shí)以Fe 元素代替了價(jià)格昂貴的V元素，并利用中間合金降低了合金的成本，應(yīng)用于法拉利360蒙迪納改良型賽車(chē)的彈簧[63]。之前提到的TB20鈦合金因其優(yōu)異的耐腐蝕能力和較好的綜合力學(xué)性能等特點(diǎn)，也適宜制作高強(qiáng)或超高強(qiáng)彈簧。Li等[64]研究的Ti-9.2Mo-2Fe-2Al合金表現(xiàn)出較低的彈性模量，且在高溫下析出細(xì)小的α相后，其抗拉強(qiáng)度能達(dá)到1200～1400MPa，同時(shí)伸長(zhǎng)率可達(dá)7.5%～12.5%，有望用于汽車(chē)彈簧。

研究發(fā)現(xiàn)，Ti-Mo基鈦合金具有較高的吸氫比以及低的氫離解平衡壓[65]。隨著氫及其同位素在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，這方面的研究也逐漸受到關(guān)注[65，66]。Zhou等[67]研究了不同Mo含量對(duì)Ti-Mo合金吸氫性的影響，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mo含量達(dá)到7.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，吸氫性能最大。鄭華等[68]報(bào)道了Ti-10Mo合金在高溫活化工藝下有較好的抗氫脆能力，并且在500℃以上能長(zhǎng)時(shí)間保持良好的吸氫動(dòng)力學(xué)性能。Ti-Mo合金作為潛在的儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)材料，可以用于氫氣的運(yùn)輸、分離、提純以及回收，也可以用來(lái)制作儲(chǔ)氫蓄電池以及氫化物熱泵等產(chǎn)品。Lu等[69]報(bào)道了β型Ti-Mo基鈦合金具有良好的阻尼特性，在抗振和減振領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景。盡管我國(guó)鉬資源豐富，基于鉬本身價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較昂貴，Ti-Mo基鈦合金在民用領(lǐng)域的應(yīng)用還具有很大的挑戰(zhàn)性。

表4 高強(qiáng)塑耐腐蝕Ti-Mo基鈦合金的Bo值、鉬當(dāng)量以及力學(xué)性能[58-62]Table 4 Bond order (Bo) value, molybdenum (Mo) equivalent and mechanical properties of Ti-Mo base alloys with high strength-ductility and corrosion resistance[58-62]

5 結(jié)束語(yǔ)

鈦及鈦合金是發(fā)展航空航天、生物醫(yī)用、海洋工程、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。圍繞“中國(guó)制造2025”、“海洋強(qiáng)國(guó)”以及“一帶一路”的國(guó)家戰(zhàn)略需求，有必要大力推進(jìn)鈦合金在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。作為體心立方的Ti-Mo基鈦合金應(yīng)加速其在低成本、高性能以及多功能方向的發(fā)展。當(dāng)前，β型Ti-Mo基鈦合金的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域以及生物醫(yī)用領(lǐng)域，應(yīng)充分利用其變形方式多樣性以及時(shí)效強(qiáng)化性的特點(diǎn)，在元素功能(如雜質(zhì)元素的有效利用)和組織調(diào)控(如非均勻組織或調(diào)和組織)的基礎(chǔ)上，建立新的強(qiáng)韌化途徑，來(lái)進(jìn)一步滿(mǎn)足航空領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)或超強(qiáng)鈦合金的需求；利用Ti-Mo基鈦合金變形組織和相變組織多樣性的特點(diǎn)，調(diào)控合金的彈性模量及其力學(xué)性能，進(jìn)一步滿(mǎn)足生物醫(yī)用β鈦合金力學(xué)相容性的要求。Ti-Mo基鈦合金具有優(yōu)良的抗縫隙腐蝕性能，然而針對(duì)其面向海洋工程、新能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究還相當(dāng)薄弱，有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。另外，基于Ti-Mo基鈦合金的形狀記憶、超彈性、儲(chǔ)氫、阻燃、阻尼等諸多功能特性，需要進(jìn)一步挖掘合金在其他新領(lǐng)域的應(yīng)用。

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(本文責(zé)編：寇鳳梅)

Application and Research Progress ofBody-centered-cubic Ti-Mo Base Alloys

XIANG Li1,MIN Xiao-hua1,MI Guang-bao2

(1 School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China; 2 Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The application and research progress of β-type Ti-Mo base alloys were reviewed from aspects of aerospace, biomedical, offshore, new energy and other fields. The strengthening-toughening approach through the coupled deformation modes, namely martensitic phase transformation, twinning and dislocation slip was focused,and the control method of mechanical properties based on a combination of deformation microstructures and phase transformation was described. It was pointed out that high-performance and multifunctionality will be the development directions of Ti-Mo base alloys with multiple deformation modes.

Ti-Mo base alloy;deformation mode;high-performance;multifunctionality

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000737

TG146.2+3

A

1001-4381(2017)07-0128-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51471040，51471155)；航空重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20123021004)

2016-06-17；

2017-04-10

閔小華(1974-)，男，博士，教授，主要從事高性能和多功能鈦合金研究，聯(lián)系地址：遼寧省大連市甘井子區(qū)凌工路2號(hào)大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(116024)，E-mail：minxiaohua@dlut.edu.cn；弭光寶(1981-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事高溫鈦合金及阻燃鈦合金研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱15分箱(100095)，E-mail：miguangbao@163.com