Ti2448钛合金的设计及研制思路

Ti2448钛合金兼具高强度、高韧性和低弹性模量、低泊松比、超弹性以及高阻尼性能等多功能特性。Nb对于人体没有毒性，同时也是对b相稳定作用最弱的b稳定化元素，符合上述合金元素选择原则，因此我们采用Ti-Nb二元系作为合金设计的基础体系。Ti2448钛合金设计的新思路，成功制备了高强度低模量钛合金Ti2448（Ti-24Nb-4Zr-8Sn）：(1)采用无毒性/低毒性合金元素；(2)充分抑制ω相和形变诱发马氏体相变；(3)将b相稳定到室温，通过合金化控制相稳定性使其仍处于亚稳状态，以利于合金的弹性变形；(4)以理论计算结果为依据，通过合金化进一步降低b相的本征模量。

处于亚稳状态的材料具有一些常态下所不具备的特殊性能，例如，纳米金属材料和金属玻璃可以实现超高强度，可逆马氏体相变在某种条件下则导致形状记忆效应和超弹性；亚稳b型钛合金具有实现低弹性模量的潜力，但是合金电子浓度为4.1~4.2的范围通常被视为禁区，因为在该区易形成脆性的ω相。我们采用添加合金元素Zr和Sn的组合设计，在电子浓度为4.15的成分条件下，成功抑制了包括ω相在内的2种切变型相变和2种扩散型相变，在较低合金化条件下将高温的体心立方结构晶体稳定到室温，显著降低了实现这一亚稳态所需的临界电子浓度（以往认为约4.24），这种亚稳状态在常规的钛合金熔炼和加工工艺条件下可以重现，从而实现材料的工业规模制备与加工。

早在10年前，我们提出了采用第一原理计算方法、通过计算平均每个原子结合能相对于单胞体积的关系曲线、获得晶体体模量的方法，并计算了一系列钛与过渡族金属组成的二元合金的体模量，成功预测了添加Zr可以进一步降低b-钛的体模量。实验研究进一步发现，Sn除了能够有效降低马氏体转变温度外，还可以显著改变b-钛的体模量，使经过优化的Ti-Nb-Zr合金在Sn含量为8%时出现体模量的极小值。