摘 要

钛合金因比强度高、低的弹性模量、热导率、膨胀系数、强耐腐蚀性并且对环境无污染，被广泛用于各种行业。在不同类型的钛合金中，β钛合金具有最高的强度，并且相比于α钛合金，β钛合金具有良好的塑性和加工性能。在合金元素浓度适当时，可以通过合金化获得在常温下力学性能很高的合金材料，因此，在发展高强度钛合金中，β钛合金具有最大的潜力。但是β钛合金的缺点是组织性能不稳定，需要加入β相稳定元素。本课题主要是利用真空悬浮熔炼方式进行该四元合金体系的制备，并利用相关手段观察在此Ti_73.3Fe_24.6Nb₂B_0.1合金熔炼过程中在各阶段所发生的纯金属原料的软化、熔解等物理冶金现象及其对应的熔炼反应；并观察铸造组织的形貌，确定熔炼参数对于凝固组织的影响等。通过开路电位、极化曲线等电化学实验测试耐腐蚀性能。通过研究表明Nb、B对于晶粒的细化作用非常显著，铸锭组织三个晶区外部晶粒最细小，内部等轴晶区耐蚀性最好。

关键字：Ti_73.3Fe_24.6Nb₂B_0.1四元合金 悬浮熔炼 组织特征 电化学测试

Suspension smelting of Ti_73.3Fe_24.6Nb₂ B_0.1 alloy and its microstructure

Abstract

Titanium and titanium alloys have excellent properties such as high specific strength, low modulus of elasticity, low thermal conductivity, low coefficient of expansion, high corrosion resistance, and environmental friendliness, and are often used in aerospace, marine vessels, chemical industry, power stations, and biomedical industries. industry. Among different types of titanium alloys, the beta titanium alloy has the highest strength, and the beta titanium alloy has good plasticity and process ability compared to the alpha titanium alloy. When the concentration of alloying elements is appropriate, alloy materials with high mechanical properties at room temperature can be obtained through alloying. Therefore, β-titanium alloys have the greatest potential in the development of high-strength titanium alloys. However, the drawback of β-titanium alloys is that the structural properties are unstable and it is necessary to add β-phase stabilizing elements. The subject mainly uses the vacuum suspension smelting method to prepare the quaternary alloy system, and uses the relevant means to observe the softening and melting of pure metal raw materials occurring in each stage of this Ti_73.3Fe_24.6Nb₂B_0.1 alloy smelting process. Physical metallurgy and its corresponding smelting reaction; observation of the morphology of the cast microstructure, determination of the effect of melting parameters on the solidification structure, etc. The corrosion resistance was tested by electrochemical tests such as open circuit potential and polarization curve. The research shows that Nb and B are very significant for grain refinement. The outer grains of the three crystallographic regions of the ingot microstructure are the finest, and the equiaxed grain region has the best corrosion resistance.

Keywords: Ti_73.3Fe_24.6Nb₂B_0.1 quaternary alloy; Suspension smelting; microstructure; Electrochemical experiment

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 钛及钛合金 1

1.1.1 β钛合金的性能及分类 1

1.2 β钛合金的应用及发展方向 2

1.2.1 β钛合金在医学领域的应用 2

1.2.2 β钛合金在海洋上的应用 3

1.2.3 β钛合金在航空航天工业中的应用 3

1.3熔炼对钛合金组织和性能的影响 3

1.3.1 钛合金的熔炼方式 3

1.3.2 铸锭组织对性能的影响 4

1.4 合金元素对钛合金组织性能的影响 5

1.4.1 Fe元素 5

1.4.2 B元素 6

1.4.3 Nb元素 6

1.5 课题研究内容和方法 6

第二章 实验内容 9

2.1 实验材料 9

2.2 实验仪器和参数 9

2.3 实验内容 10

2.3.1 熔炼 10

2.3.2 组织性能分析 11

2.3.3 硬度测试 12

2.3.4 电化学实验 12

第三章 实验结果与讨论 13

3.1 熔炼过程 13

3.1.1 熔炼过程 13

3.1.2 熔炼铸锭及温度曲线 14

3.2 组织成分分析 16

3.2.1 金相组织 16

3.2.2 XRD 18

3.3 硬度测试 18

3.4 电化学实验 19

3.4.1 开路电位实验 19

3.4.2极化曲线 20

第四章 结论 23

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1 钛及钛合金

从上世纪50年代开始，钛及钛合金凭借着多种优异的性能(如比强度高，质量轻，极端条件下能表现出优异的力学性能，对环境无污染)引起研究人员的关注，各种钛合金被开发出来，用途非常广泛^[1]。钛及钛合金在材料领域的独特性能，重要性日益凸显，被誉为“第三金属”、“飞行金属”等。钛最早被运用在航空器材上，太空的各种飞行器，不仅需要足够的强度，还需要质量不能过重，因而钛合金成了不可缺少的部分，又被称为“空间金属”^[2]。随着我国实力的增强，开发和利用海洋资源称为迫切的需要。海洋中环境非常恶劣，普通的工程构件难以长时间保持稳定的性能，而钛合金具有良好的耐腐蚀性能，且强度高，安全可靠。因此开发满足不同工作条件需要的各种钛合金任务也提上了日程。在海洋方面钛合金的主要方向是防腐蚀，这不仅对于海洋工程平台有意义，而且事关国防与安全。从蛟龙入海到卫星升空，国力的提升也看到材料科学的进步。钛合金在国防，科学方面发挥重大的作用，随着科技的无止境探索，优良性质的材料需求更加迫切，科研工作者还需要不断地努力。

1.1.1 β钛合金的性能及分类

钛有α、β两种相，含有α相的钛合金常温下具有稳定的性能，但是强度不够高，而且不能进行热处理。含有β相的钛合金具有很高的强度，能够进行热处理，塑性加工性好，但是在常温下性能不够稳定，因此需要β相稳定元素稳定钛合金的相。在β钛合金中加入适量浓度的稳定元素，再进行热处理，能够获得在常温下优异的力学性能。利用β钛合金的高强度可以开发超高强度合金。此外，相比于其他钛合金，β钛合金具有最高的比强度、韧性、抗疲劳性能^[3]。在制造航空航天等大横截面的零件上表现出独特的性能优势。

钛中的β相属于高温下的相，在钛从高温到低温的冷却过程中，如果合金中有足够的β相稳定元素，就能够将β相保留至室温，从而获得β钛合金。β钛合金有稳定β型钛合金、亚稳定β型钛合金和近β型钛合金三种^[4]，它们稳定状态时的组织类型有不同。

相关图片展示：