Fe代替V制备低成本钛合金：相体积分数的计算

王 亮，颜 卉，陈 云，骆良顺，苏彦庆，郭景杰

(金属精密热加工国家级重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150001)

钛及钛合金因密度小、比强度高、无磁性、耐腐蚀、耐高温以及良好的生物相容性等一系列优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、化学化工等多个领域[1]。但是钛合金的产量和用量却远低于钢铁、铝等传统结构材料，限制其广泛使用的最主要因素就是成本十分高昂。造成钛合金成本高的因素当中，真空熔炼及加工占总成本的60%，原材料占40%，同时钛加工材料利用率低(棒材一般为5%，板材约50%)也是造成钛合金高成本的一个重要原因[2]。针对这些问题，可以通过使用廉价合金元素设计合金、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钛合金成本。美国开发了TI-METAL LCB合金(Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe)用以替代成本较高的Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)，这种合金的性能与Ti-6Al-4V相当，但其制造成本却只有Ti-6Al-4V的八成左右，开启了以Fe等廉价金属元素来取代V元素而降低成本的一种低成本钛合金的发展方向[3]。日本则研制了具有超塑性的钛合金Ti-4.5Αl-3V-2Mo-2Fe，这种合金不但在强度方面优于Ti-6Al-4V，而且成本较低。由于该合金较高的热处理强化能力和冷成型能力，已经被成功地应用在了摩托零件的生产当中[4]。中国采用廉价Fe-Mo中间合金设计研究出近α型Ti8LC和近β型Ti12LC 低成本钛合金，具有良好的室温拉伸性能，优于Ti-6Al-4V[5]。

由于中国V资源较缺，V的价格昂贵，在设计低成本合金过程中，应尽量减少其使用量，采用资源丰富、价格便宜的金属元素进行替代，同时尽量保证其原有的优点，这是设计新型低成本钛合金的根本出发点。希望通过Fe元素的添加代替部分V元素，实现低成本钛合金的制备。本文以Ti-6Al-4V为对比合金，在廉价合金元素的基础上设计和研究低成本钛合金。本文主要的研究目标是:建立一个可以计算低成本合金相体积分数的模型，实现对设计合金的相含量的计算，并与目标合金Ti-6Al-4V进行对比验证。

1 合金成分的设计

由于Fe是稳定能力最强的β稳定元素，是V元素的4倍以上，1%的Fe会使钛合金α/β相变点下降18 ℃[6]，而且Fe元素在稳定β相的同时，还会微量固溶于钛合金α基体中，对材料起固溶强化作用[7]。因此成分设计时，合理提高钛合金中Fe元素含量，在不影响塑、韧性前提下，可有效提高材料屈强比等强度指标。但是Fe元素易产生偏析，在钛材中形成“β斑”缺陷，会显著降低耐蚀性，因此加入最好不超过3%[8]。根据以上的理论分析，设计了4种不同成分的Ti-Al-V-Fe合金，见表1。

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

2 相体积分数计算模型的建立

钛合金中α相是密排六方结构，而β相则是体心立方结构，因此只有3个滑移系的密排六方晶格的α相的塑性要比拥有12个滑移系的体心立方低[9]。β相稳定元素的存在，使得α+β钛合金和β钛合金通过退火和淬火后，室温组织中能够保留一定体积分数的β相，而α相和β相显微组织的形态、大小、体积分数和排列方式等决定了钛合金的各种性能。因此，钛合金中α相和β相的体积分数是表征钛合金力学性能的一个重要指标。为此，采用β稳定系数Kβ的概念[10-12]，来分析钛合金中β相的稳定程度或β稳定元素的作用,并进一步计算β相体积分数。

2.1 淬火临界晶胞系数

(1)

式中，mM表示β稳定元素M的原子量，mTi表示Ti元素的原子量。

(2)

(3)

2.2 退火临界晶胞系数

(4)

肿瘤患者发生营养不良的几率较高,主要是两个原因,营养摄入不足以及营养代谢异常,临床主要表现为机体能量消耗异常,碳水化合物、蛋白以及骨骼肌消耗异常,电解质、水代谢紊乱,表现为恶病质状,因而对肿瘤患者实施营养支持治疗具有重要意义。科学有效的营养支持治疗能够明显改善患者的身体情况,提高治疗疗效以及患者的生活质量,对于患者的康复具有重要意义[3]。

(5)

(6)

退火时每个β相稳定原子可获得的β-Ti晶胞数量越多，相应的钛合金中的β相的体积分数就越大，即该元素的β相稳定作用越强[13]。

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

2.3 相体积分数计算模型

这样就可计算退火态和淬火态的钛合金中α和β相的体积分数。退火态和淬火态钛合金中β相晶胞数分别为nt和nz，则有

(7)

式(3)和(6)中的数值50可作为一个判据，即当钛合金中nt或nz大于等于50时，退火态与淬火态在室温下组织全为β相组织，反之，钛合金室温存在α相，因此有以下公式：

(8)

(9)

(10)

Ti-Al-V-Fe系合金中的β稳定元素为V和Fe，由于V和Fe的添加量的不同，以Ti-6Al-3V-1Fe合金为例来计算两相体积分数，退火和淬火后β相体积分数的计算步骤如下：

同理可计算出各组Ti-Al-V-Fe合金的两相体积分数，见表3。

表3 每组合金的Kβ值以及α和β相体积分数Tab.3 Kβ value,α and β phase volume fractions of alloys

3 相体积分数的测定

合金的制备工艺如下：按比例称重，将原料海绵钛(纯度99.8%)、Al-V中间合金(V 的质量分数为58.18%)、Al颗粒(纯度99.99%)、Fe颗粒(纯度99.99%)按照熔点从低到高顺序依次置于真空非自耗电弧炉的水冷铜坩埚中，熔炼成纽扣锭。每个合金锭采用相同的熔炼参数，并在每次熔炼后上下翻转倒置后再次熔炼，以保证成分均匀。每组成分的合金用线切割切取其纽扣锭的中心部分，打磨去除表面氧化皮后用酒精超声清洗。将试样真空封管后置入热处理炉中进行热处理。淬火工艺：升温速率为10 ℃/min，升温至1 200 ℃，保温2 h后直接水淬。退火工艺：升温速率为10 ℃/min，升温至780～800 ℃，保温2 h后进行空冷。所使用的X射线衍射仪型号为X’PERT，在室温下进行，实验测量的角度为20°～90°，采用Cu靶Kα辐射，加速电压40 kV，电流40 mA，扫描速度2～5(°)/min，步长为0.033°。

每个相都有自己独特的X射线衍射花样。在多相合金的衍射图像中，通常会同时呈现出合金中各个相的衍射谱线，各相的衍射谱线的强度又与该相在多相合金中的含量有关系，该相的衍射线条的强度会随着它在合金中含量的增加而提高。虽然衍射线条的强度与合金中的相的含量有一定的正相关关系，但是完全用衍射线条的强度比来表示各相含量的比例却又是不正确的，因为谱线的强度不光与相的含量有关，还有其他一些决定因素。

参照文献[15]中的方法，对合金的相体积分数进行了测量。先测出该相衍射线条最强峰的面积，其面积比就是两相衍射线的强度比。再通过查阅两相谱线求出K值，即可得出合金中β相的体积分数。图1为合金的X射线衍射图谱。用X射线衍射法测量得到的各组合金的β相体积分数见表4。

图1 各组合金的X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction patterns of Ti-Al-V-Fe alloys

表4 各组合金的β相体积分数Tab.4 β phase volume fractions of alloys %

通过对比X射线衍射法测量出的β相体积分数的数值和计算模型的计算结果，可以发现实验结果与理论计算得到的合金的两相体积分数非常相近，表明利用之前的计算模型来预测钛合金中相体积分数的方法是可行的。而实测结果和预测结果存在偏差，可能是因为在时效时存在亚稳相分解不完全等因素的影响，使实测结果与理想热力学状态下的计算值有差异。

4 结 论

以Ti-6Al-4V合金为目标合金，利用Fe元素代替V元素的方法设计了几种合金，用以降低钛合金的制备成本。以Ti-6Al-3V-1Fe合金为例实现对设计合金基本性能的预测，建立双相钛合金淬火、稳定退火后的α、β相的体积分数的计算模型，并利用该模型计算出了两相的理论值。同时，利用X射线衍射法测出每组合金的α、β相体积分数，发现实测结果与模型计算结果非常相近，表明利用计算模型来预测钛合金相体积分数的方法是可行的，本文建立的模型是可信的。