超细晶TiNbO亚稳β钛合金微观组织演变与力学行为的相关性研究

The clarification of the correlation between the phase stability of metastable β-Ti alloy, microstructural evolution and the mechanical behavior has been a key scientific issue for the investigation and development of advanced biomedical titanium alloy with low elastic modulus and high strength. It was found in recent experimental study, low modulus (43GPa) and high strength (1.36GPa) can be simultaneously achieved in the TiNbO β-Ti titanium alloy by introducing ultrafine grained (UFG) strengthening via severe plastic deformation (SPD) as well as modifying the phase composition via proper heat treatment. It is of academic importance to clarify the relative mechanism to the phase transformation, the evolutions of microstructure and mechanical behavior, and of engineering significance to develop novel Ti alloys with low modulus. This project aims to investigate the microstructural evolution of low β phase stability TiNbO alloy under the coupling action of SPD and heat, and then characterize the phase transformation behavior and thermal stability of UFG metastable β-Ti alloys, in attempt to clarify the relative mechanism of phase transformation and microstructural evolution. On this basis, the influence of microstructural evolution on the mechanical behavior of TiNbO metastable β-Ti alloys will be studied, and the inherent mechanism of martensitic transformation, α phase precipitation and microstructural evolution on the mechanical behavior (modulus and strength) in the UFG metastable β-Ti alloys will be determined. The outcome of this project will promote the fundamental research on the microstructural control and the optimization of mechanical performance, providing a significant theoretical and technological basis for the development of new β-type biomedical titanium alloys.

阐明亚稳β钛合金中β相的结构稳定性、组织演变与力学行为的相关性，是当前研究和发展兼具低弹性模量和高强度的生物医用钛合金的关键科学问题。我们前期的探索研究发现，TiNbO亚稳β钛合金通过大变形获得超细晶组织，并辅以适当的热处理调节合金的微观组织结构，可以兼具低弹模(43GPa)和高强度(1.36GPa)。阐明与此相关的相变特征、微观组织及力学行为演化，对研发具有重要应用前景的低弹模钛合金具有指导意义。本项目旨在深入研究大变形热力耦合作用下具有不同结构稳定性的TiNbO亚稳β钛合金微观组织的演变情况，分析表征超细晶合金的相变行为及组织热稳定性，阐明亚稳β钛合金的相变行为和微观组织的演变规律。在此基础上，探究合金的微观组织演变对力学性能的影响规律，揭示合金的结构稳定性、马氏体相变、析出相变以及微观组织演变与力学行为相关性的内在机制，为新型低弹性模量高强度β钛合金的设计和研发提供理论和技术基础。

钛合金在航空、航天、生物医用和海洋工程等领域具有广泛的应用前景。阐明钛合金中β相的结构稳定性、组织演变与力学行为的相关性，是当前研究和发展结构与功能一体化钛合金的关键科学问题。本项目以发展低弹性模量和高强度Ti-Nb-O体系钛合金为研究目标，设计并制备了具有不同β稳定性的TiNbO系合金，总结归纳出了氧含量在不同β稳定性合金中对相变的影响规律。在较低稳定性合金中，氧元素不会表现出β稳定作用，合金相组成主要为α'相。当β相稳定性增加时，氧的添加会抑制α'相，使合金由α'相转变为α"相。当稳定性进一步增加，氧元素可以表现出β稳定作用作用，抑制α"和ω相。氧元素具有很强的固溶强化作用，可以明显提高合金强度。另外，由于其对β稳定性的不同作用效果。在较高稳定性合金中，氧的添加还会抑制应力诱发马氏体及应力诱发孪晶。而在适当的β相稳定性合金（Ti-32Nb-0.2O）中，氧的添加还会导致模量的降低。在亚稳β钛合金合适的氧含量添加可以有效的获得低模量、高强度、高塑性的综合优异性能。建立了合金成分与β稳定性、微观组织、力学行为之间的关系。在此基础上，研究了不同热机械处理制度对TiNbO系合金微观组织的影响，分析了在不同轧制工艺、退火温度、时效温度、热处理时间下合金的微观组织变化情况，对α、ω等析出相、晶粒尺寸、元素分布进行了分析，研究了合金的相变行为及组织热稳定性，建立起β稳定性-热处理工艺参数-微观组织特征的相关性，制备了具有不同结构稳定性和相组成的超细晶钛合金。分析了晶粒尺寸对β钛合金中应力诱发马氏体相变临界应力及滑移临界应力的影响规律。超细晶的亚稳β钛合金可以在保持低模量的同时，抑制应力诱发马氏体，从而获得较高的屈服强度。为提高TiNbO系合金强度，添加固溶元素Fe、Zr等提高其固溶强化效果，并结合α+β两相区热机械处理方式，针对于在亚稳β基体析出超细晶等轴α相，可获得优于单相亚稳β钛合金的低弹性模量和高屈服强度。基于以上，我们提出了通过合金成分设计和剩余β相结构稳定性调控实现低弹性模量和高强度的α+β两相钛合金设计与制备方法。本项目的研究结果为新型低模高强钛合金的设计和研发提供了参考，所开发的新型钛合金在生物医用、航空航天等领域具有潜在的应用价值。