通过微量添加铌和硼对Ti-6Al-4V合金的微观结构及其拉伸性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Microstructural Effects on Tensile Performance in Ti-6Al-4V Alloy through Minor Addition of Niobium and Boron

通过真空自耗熔炼在Ti-6Al-4V基体中添加Nb和B，形成异质界面和TiB晶须协同强化，使合金强度达1182 MPa，延伸率7.8%，异质界面促进位错钉扎和裂纹偏转，TiB晶须细化晶粒并抑制裂纹扩展。

　　钛-6铝-4钒（Ti-6Al-4V）合金因其优异的比强度和生物相容性，广泛应用于医疗、航空航天、汽车和海洋工程等领域。作为钛合金中的典型代表，Ti-6Al-4V在实际应用中表现出良好的综合性能，但其铸造态的组织结构往往存在一些缺陷，如β相粗化和α相团聚，这些现象限制了其在高应力和复杂载荷条件下的应用。因此，如何在不改变其原有优势的基础上，进一步优化其铸造态的力学性能，成为科研人员关注的重点。

在传统工艺中，Ti-6Al-4V合金通常需要经过热处理来改善其组织结构，从而提升力学性能。然而，热处理过程不仅增加了制造成本，还可能引入新的问题，如晶粒粗化或第二相的析出，这会进一步影响合金的延展性和抗裂性能。因此，探索新的合金成分优化策略，成为提升Ti-6Al-4V性能的重要方向。近年来，研究人员发现，通过添加特定的合金元素，如铌（Nb）和硼（B），可以在一定程度上改善合金的组织结构，从而提升其综合性能。

铌作为一种重要的合金元素，因其在β相中的完全固溶性和在α相中的较高固溶性，被认为是钛合金中的有效强化元素。铌的添加可以显著降低β相转变温度，从而抑制β相向α相的分解，使β相保持较高的体积分数。这不仅有助于提升合金的强度，还能改善其延展性。然而，单独使用铌进行固溶强化时，其对晶界钉扎的效果有限，难以实现有效的晶粒细化，因此在提升强度的同时，可能会牺牲部分延展性。

相比之下，硼在钛合金中的作用则更为特殊。硼能够通过与钛发生反应，形成细小的TiB晶须，这些晶须不仅能够细化β相晶粒，还能有效改善合金的塑性变形能力和抗裂性能。在某些研究中，添加少量的硼（如0.1-0.3 wt.%）可以显著细化铸造态的β相晶粒，同时减少α相的尺寸，从而提升合金的整体性能。然而，过量的硼添加可能会导致晶须在晶界处聚集，形成脆性第二相，这会严重降低合金的韧性。

因此，基于铌和硼的协同作用，研究者提出了一个新的合金设计思路，即通过微量添加铌和硼，构建一种双异质组织结构。这种结构结合了β相的稳定性和TiB晶须的细化作用，从而在提升强度的同时，保持良好的延展性。具体而言，铌的添加可以促进β相的稳定化，而硼则通过形成TiB晶须，进一步细化晶粒，增强合金的力学性能。这种协同效应在Ti-6Al-4V合金中尤为显著，因为铌和硼的添加不仅能够改善组织结构，还能增强合金的塑性变形能力。

在实验过程中，研究者采用真空电弧熔炼（VAR）技术来制备Ti-6Al-4V-xNb-yB合金。VAR技术能够提供高度纯净的熔体，减少杂质的引入，从而确保合金的组织结构和性能的稳定性。通过调整铌和硼的含量，研究者能够系统地研究其对合金组织演变和力学性能的影响。实验结果表明，当铌含量为3 wt.%、硼含量为0.2 wt.%时，合金表现出最佳的综合性能。此时，β相的体积分数显著增加，α/β异质相界面的宽度也有所扩大，同时TiB晶须的形成使得晶粒尺寸大幅减小，从而有效提升了合金的强度和延展性。

在力学性能方面，Ti-6Al-4V-3Nb-0.2B合金表现出优异的抗拉强度和良好的延展性。其抗拉强度达到1182 MPa，延展性为7.8%。这些性能的提升主要归因于β相的体积分数增加、晶粒细化以及TiB晶须的强化作用。此外，α/β异质相界面的粗化也促进了位错与界面的相互作用和形核，从而增强了应变硬化能力。这些异质相界面还能够有效抑制裂纹扩展，通过促进裂纹尖端钝化或偏转，从而提高合金的整体延展性。

在断裂形态和原位扫描电镜（SEM）观察中，进一步揭示了TiB晶须在限制局部塑性变形、促进裂纹偏转和钝化方面的作用。这些效应主要由TiB晶须对位错的钉扎作用引起。当裂纹扩展时，TiB晶须能够有效阻碍裂纹的传播，提高合金的韧性。这种协同效应不仅改善了合金的组织结构，还显著提升了其力学性能，使其在高应力和复杂载荷条件下表现出更优异的性能。

此外，研究者还探讨了不同铌和硼含量对合金组织演变的影响。在铸造态和热处理态下，合金的组织结构呈现出显著的变化。例如，当铌含量增加时，β相的体积分数也随之增加，而α相的尺寸则逐渐减小。同时，硼的添加能够促进TiB晶须的形成，这些晶须在合金中起到了细化晶粒和增强强度的作用。通过调整这两种元素的含量，研究者能够实现对合金组织结构的精确控制，从而优化其力学性能。

在实际应用中，这种双异质组织结构的合金表现出更高的抗拉强度和更好的延展性，使其在航空航天、医疗和汽车等领域具有更广泛的应用前景。同时，这种合金的制造成本相对较低，因为其主要通过VAR技术进行制备，避免了传统热处理过程中的高能耗和高成本。因此，Ti-6Al-4V-3Nb-0.2B合金不仅在性能上优于传统Ti-6Al-4V合金，还在制造成本上具有优势。

为了进一步验证这种协同效应的有效性，研究者进行了系统的组织和性能分析。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等手段，研究者能够观察到合金的组织演变过程。例如，XRD图谱显示，随着铌含量的增加，β相的衍射峰强度逐渐增强，表明β相的体积分数显著增加。同时，SEM图像显示，TiB晶须的形成使得晶粒尺寸大幅减小，从而改善了合金的力学性能。

在力学性能测试中，研究者通过拉伸试验和断裂分析，验证了合金的综合性能。结果表明，Ti-6Al-4V-3Nb-0.2B合金在拉伸试验中表现出优异的抗拉强度和延展性，其性能远优于传统Ti-6Al-4V合金。此外，研究者还通过原位SEM观察，进一步揭示了TiB晶须在裂纹扩展过程中的作用。这些晶须能够有效阻碍裂纹的传播，提高合金的韧性，从而改善其整体性能。

综上所述，通过微量添加铌和硼，构建一种双异质组织结构，可以显著提升Ti-6Al-4V合金的力学性能。这种策略不仅克服了传统合金在铸造态下的组织缺陷，还通过微结构的优化，实现了强度与延展性的平衡。因此，Ti-6Al-4V-3Nb-0.2B合金在未来的应用中具有广阔的前景，特别是在需要高比强度的领域。这种合金的设计思路为钛合金的进一步发展提供了新的方向，也为钛基复合材料的制备提供了理论支持。