钛合金中原子迁移性质的第一原理研究

钛合金作为一种重要的航空材料,具有比强度高,耐蚀性好等优异性能,并具有一定的高温蠕变抗力。但是在更高温度下,有限的蠕变抗力限制了钛合金的进一步应用。实验研究表明,钛合金稳态蠕变过程蠕变激活能与合金的表观扩散激活能非常接近,说明原子的扩散与蠕变过程密切相关。本文采用第一性原理的方法,计算了钛合金中常见的杂质及合金原子的迁移能垒。结果表明,对以空位机制扩散的合金原子,其在基面内迁移的能垒从高到低为Al、V、Ti、Sn、Ta、Mo、Nb、Zr,面间原子迁移由难到易为Al、Sn、V、Ti、Ta、Mo、Nb、Zr。以间隙机制迁移的Co、Fe、Ni迁移能垒较低,与实验观测到的这些原子为快扩散原子相符。     

新型TiNbTaZr合金的生物腐蚀性和细胞毒性(英文)

通过真空自耗电弧炉开发一种新型β钛合金Ti35Nb2Ta3Zr,其弹性模量仅为48GPa,探讨该合金的耐腐蚀性能和细胞毒性。在Ringer模拟体液中,通过测量开路电位、极化阻抗谱和极化曲线发现Ti35Nb2Ta3Zr的腐蚀性优于Ti6Al4V和Ti。细胞毒性试验证明Ti35Nb2Ta3Zr的生物相容性与目前临床常用的Ti6Al4V和Ti相当。因此,该新型β钛合金Ti35Nb2Ta3Zr具有良好的耐腐蚀性和生物相容性,未来作为生物材料具有广阔前景。     

低温时效对生物相容β钛合金TiNbSn超弹性行为的影响

近期,一些文献陆续报道了无镍β钛合金的形状记忆效应和超弹性行为的研究结果,这些合金系如Ti—Mo—Al,Ti—Nb—Sn,Ti—Mo—Ga,Ti—Nb—Al,Ti—Nb及Ti—Nb—Zr—Sn。人们希望用其替代TiNi形状记忆合金,以消除TiNi合金作植入件对人体产生的过敏或致癌影响。在上述这些合金中,TiNbSnβ钛合金以其良好的生物相容性和冷加工性能备受人们的青睐。但与TiNi合金类似,TiNbSn合金的马氏体转变温度非常敏感。     

Timetal 5111和Timetal 5111 0.05Pd钛合金

Timetal5111合金是80年代末期由Timet与美国海军共同开发研制的近a型钛合金。合金成分为：Ti－5Al－1Zr－1Sn－1V－0．8Mo－0．1Si。合金的突出特点是良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能，应力腐蚀危险比，该性能指标优于船用钛合金48－OT3（Ti－4AI－0．005B），相当于Ti－6211（Ti－6Al－2Nb－1Ta－0．8Mo）；冲击韧性大约为Ti－6Al－4V的3倍；易焊接，可进行大型材的焊接。该合金强度略低于Ti－6Al－4V，延性略高于Ti－6Al－4V，σb＝750MPa～800MPa，s≥13％，但通过调整氧含量可使强度达到Ti－6Al－4V的水平。目前可生产重…     

钛及钛合金的热处理

钛及钛合金通过程序控制技术和各种热处理工艺可获得不同特性的产品 ,表 1～表4列出了工业纯钛及部分钛合金的热处理工艺。表 1　工业纯钛和部分钛合金的 β相变温度合　金β相变温度℃ ,± 1 5° ,± 2 5°工业纯钛 ,0 2 5%O2 最大 91 0 1 6 75工业纯钛 ,0 4 %O2 最大 94 51 735α或近α合金Ti 5Al 2 5Sn 1 0 50 1 92 5Ti 8Al 1Mo 1V 1 0 4 0 1 90 0Ti 2 5Cu (IMI 2 30 ) 8951 6 45Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo 9951 82 0Ti 6Al 5Zr 0 5Mo 0 2Si(IMI 6 85) 1 0 2 0 1 870Ti 5 5Al 3 5Sn 3Zr 1Nb 0 3Mo 0 3Si (IMI 82 9) 1 0…     

基于Ti1100合金的微量元素添加对合金抗氧化性能的影响

本文利用固溶体合金中的‘团簇加连接原子’模型解析了典型高温近α-Ti合金Ti1100的成分,其团簇成分式为[Al-(Ti13.7Zr0.3)](Al0.69Sn0.18Mo0.03Si0.12)。在此基础上,采用相似元素替代原则设计了微量元素Hf、Ta和Nb添加的系列合金成分,即 [Al-(Ti13.7Zr0.15Hf0.15)](Al0.69Sn0.18Si0.1(Mo/Ta/Nb)0.03)。对该系列合金进行950 ℃/1 h固溶+560 ℃/6 h时效处理,然后进行组织结构、硬度、抗高温氧化及电化学腐蚀性能测试。研究结果表明,Zr0.15Hf0.15合金与参比合金具有相同片层β转变组织,而在此基础上Ta和Nb的添加会使合金中产生大量等轴α组织;但组织的改变对系列合金的显微硬度影响不大,介于330-370 HV。650 ℃氧化100 h后系列合金均具有较强的抗氧化能力,氧化增重小于1.0 mg/cm2,而在800 ℃氧化100 h后,添加Hf、Ta、Nb元素的合金氧化增重明显低于Ti1100合金,氧化层厚度为25~27 μm,且氧化层致密,其中[Al-(Ti13.7Zr0.15Hf0.15)](Al0.69Sn0.18Si0.1Ta0.015Nb0.015)合金具有最优的抗高温氧化性能,800 ℃/100 h后的氧化增重仅为2.6 mg/cm2。此外,该系列合金在在3.5 %NaCl溶液中也具有较好的耐蚀性。     

新近研制的三种钛合金

钛加工的新方法概括起来主要包括扩散焊、超塑性成型、等温锻造以及粉末固结。虽然并非这几种方法都得到了充分地发展,但与常规的方法相比,每一种都可使成本节约高达50%;并且在某些情况下,也减轻了重量。随着这些制造方法的出现,两种重要的新合金也正在问世。它们分别是适于制作锻件的近β钛合金,Ti—10V—2Fe—3Al;和适于制作板、带材的β钛合金、Ti—15V—3Cr—3Al—3Sn,即 Ti—15—3型合金。此外,一种抗蠕变能力优于其它钛合金的超α合金、Ti—6Al—2Sn—4Zr—2Mo—0.1Si 已用于制造先进的气体涡轮机排气混     

低Nb含量Ti-Mo-Nb-Zr-Sn BCC低弹性模量固溶体合金的成分设计

依据BCC结构中的"团簇加连接原子"模型确定Ti-Mo二元团簇式[MoTi14]Mo1为基础成分式,根据合金化组元Sn、Zr和Nb与基体Ti的混合焓实现其在基础成分式中的组元替换,从而形成多元成分式[(Mo,Sn)(Ti,Zr)14]Nb1。利用铜模吸铸快冷技术制备d 6 mm合金棒状样品,并对其进行950℃保温2 h并水淬。组织结构分析和拉伸力学性能结果表明:低模量Sn、Zr和Nb分别取代基础成分式中高模量的Mo时形成的三元BCCβ-Ti合金结构稳定,且具有较低的弹性模量;当Mo0.5Sn0.5占据团簇心部,Nb作为连接原子,Zr替代部分Ti时形成的低Nb含量的β-Ti合金[(Mo0.5Sn0.5)(Ti13Zr)]Nb1(Ti68.10Mo5.25Sn6.50Zr9.98Nb10.17,质量分数,%)具有最低的弹性模量(为43 GPa),且断裂强度σb为569 MPa,应变ε为5.6%。     

合金元素对β-Ti25Nb合金的结构稳定性与弹性性质的影响

采用密度泛函理论的缀加平面波加局域轨道的第一性原理和超晶胞方法对β结构的Ti75Nb25以及Ti68.75Nb25X6.25(X为Mo,Sn,Ta和Zr)合金的能量、电子结构以及弹性性质进行了理论计算.通过对比这几种合金的结构稳定性和弹性性质,发现Mo和Ta元素既能起到稳定β-Ti25Nb相作用,又能使其弹性常量增加.而Sn 对β结构的稳定性影响较小,Zr却降低了β结构的稳定性,且两者对弹性常数的影响均较小.     

新的医用钛合金的开发

作为医用金属材料,生物适应性优良的钛及钛合金目前最引人注目。要求高强度的人工股关节棒等使用了Ti-6Al-4V(ELI)合金。但是由于析出极微量的V和Al离子,降低了其细胞的适应性,且担心Al离子会引起-型痴呆症。选择细胞适应性好的Zr,Nb,Ta,Pd,Sn作为合金的添加元素。为了提高合金的强度可把Sn,Zr作为主要添加元素;提高耐蚀性添加Ta,Pd;为使α β两相组织具有良好的     

Ti-15Zr-4Nb-4Ta合金的牙铸件性能

纯钛及钛合金因其优异的耐蚀性、生物相容性用于生物材料。目前广泛应用于牙科的材料为Ti -6Al -4V合金。日本先进工业科技研究院研制出一种比Ti -6Al -4V合金具有更好的生物相容性的新型 (α +β)钛合金 ,即Ti-15Zr -4Nb -4Ta合金。合金试样　用真空电弧炉熔炼的商业纯钛 (TA2 )、Ti-6Al-4V合金、Ti -15Zr -4Nb -4Ta合金 ,合金成分符合日本工业标准 (JIST740 1) ,铸锭经 β锻造及 (α -β)锻造后 ,得到直径为 45mm的棒材 ,将棒材表面的氧化皮除去 ,切下若干42mm×13mm的棒材做为试样备用。牙铸件　使用吸压型铸造机及T型熔模机…     

Ti3Zr2Sn3Mo25Nb医用钛合金相变与力学性能

研究Ti3Zr2Sn3Mo25Nb医用钛合金中相变演化过程和亚稳相对合金强度和弹性模量的影响规律.结果表明:Ti3Zr2Sn3Mo25Nb合金中相的演化过程为β→ω→α″→α,其中亚稳ω相及α″相的尺寸、数量及分布对合金强度、弹性模量及塑性的影响显著.ω相的尺寸越小,数量越多,分布越均匀,这有利于提高合金强度,降低塑性和弹性模量;通过控制亚稳ω相及α″相的尺寸、数量和分布,可以在一定范围里调整Ti3Zr2Sn3Mo25Nb合金的力学性能变化,从而得到更好的生物力学性能匹配.     

医用低刚度β型钛合金的研发

近年来 ,医用钛合金的研发趋势是开发具有良好机械加工性能的无毒无过敏元素的低刚度 β型钛合金。日本研究者根据纯细胞毒性、极化抗力数据、生物医用金属材料和纯金属的生物相容性 ,确定了无毒元素为Nb、Ta和Zr。他们根据Morinaga等人开发的d电子合金设计法确定候选合金成分 ,根据 3次电弧熔炼的实验室规模铸锭 (约 45 g)拉伸试验结果 ,开发了医用低刚度 β型钛合金Ti 2 9Nb 13Ta 4 6Zr ,并研究了该实用型合金的机械性能和生物相容性。熔炼与加工　 2 0kg级Ti 2 9Nb 13Ta 4 6Zr铸锭采用悬浮铸造法制备。铸锭先在95 0℃后在 85 0℃下…     

不同元素掺杂对氯离子在TiO_2膜扩散的影响研究

通过过渡态计算软件CINEB模拟了不同元素掺杂到金红石型TiO_2膜后,氯离子在TiO_2膜的扩散路径和对扩散势垒的影响。结果表明,TiO_2膜中扩散路径A具有更大的孔洞,钛和氯离子吸附性较弱,使氯离子扩散势垒较小,因此氯离子在路径A中更容易扩散。Al元素掺杂后铝原子失去电子转移到邻近的氧,氯离子和氧离子间存在较强的排斥作用,导致晶体结构畸变,有效阻碍氯离子扩散,提高耐腐蚀性能。Mo元素掺杂后,Mo的3d轨道与Cl的2p轨道有较强的杂化作用,Mo和Cl之间有较强吸附作用,使得氯离子很难脱离,因此提高材料的耐蚀性。Al、Zr、Mo、Nb的扩散势垒较高,对提高钛合金的耐腐蚀性能有显著作用。通过实验验证了Ti-5.5Al-3.0Zr-2.0Sn-0.8Mo-1.5Nb合金的自腐蚀电流最小,耐腐蚀性能最好,与计算结果一致。     

Creep Properties and Solute Atomic Segregation of High-W and High-Ta Type Powder Metallurgy SuperalloyEI北大核心CSCD

研究了最新开发的高W高Ta型粉末高温合金GNPM01优异的蠕变性能和蠕变强化机理。利用球差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)，详细分析了粉末高温合金GNPM01蠕变变形机制和溶质原子在超点阵层错和微孪晶上的偏聚行为，阐明了溶质原子Cr、Co、Mo的偏聚是导致无序微孪晶在晶内扩展的根本原因。GNPM01合金在815℃蠕变过程中，γ’相内孤立的超点阵外禀层错(SESF)处出现了W、Ta、Nb、Co和Ti的Suzuki偏聚，并且偏聚原子具有有序的占位，造成SESF处发生局部微区相变(LPT)，形成的[(Ni, Co)₃(Ti, Nb, Ta, W)]有序相η相能有效阻碍微孪晶的形成和扩展，从而降低合金的蠕变速率。     

微量添加Sn和Nb对Zr-Cu-Fe-Al块体非晶合金热稳定性和塑性的影响

采用Cu模铸造方法制备了直径2和3 mm的Zr61.5Cu21.5-xFe5Al11Sn1Nbx(x=0,1,2,原子分数,%)和Zr61.5Cu21.5Fe5Al12非晶合金棒.结果表明,Sn和Nb微合金化略微降低了Zr-Cu-Fe-Al非晶合金的玻璃形成能力.Zr61.5Cu19.5Fe5Al11Sn1Nb2非晶合金具有优异的压缩塑性,并且表现出"应变硬化"现象.高分辨透射电镜观察显示Zr61.5Cu19.5Fe5Al11Sn1Nb2和Zr61.5Cu21.5Fe5Al12合金均为完全非晶态,Sn和Nb微合金化后合金内部原子排列更紧密.正电子湮没谱分析结果表明,与Zr61.5Cu21.5Fe5Al12非晶合金相比,Zr61.5Cu19.5Fe5Al11Sn1Nb2非晶合金内部原子密排间隙和结构自由体积尺寸减小、总量增加.大量弥散分布的自由体积有利于Zr61.5Cu19.5Fe5Al11Sn1Nb2非晶合金剪切带的形成、分枝和相互作用,最终改善了非晶合金的塑性.     

金属材料在液态Al-Mg合金中的腐蚀行为

本文对 Fe、Ni、Mo、Zr、Nb、Cr、V、Ta 等金属或以它们为基的合金进行了抗液态 Al-Mg 合金腐蚀试验.材料的耐蚀性系借助金相观察测定溶解扩散层厚度和测定蚀损这两项指标来予以评定的。结果表明绝大多数金属及其合金均不耐液态 Al-Mg 合金的腐蚀,仅 Nb 和合金化程度低的Nb 基合金(如 Nb-2Al,Nb-1Cr)以及 Ta 显示山具有良好的耐蚀性.     

单晶镍基合金蠕变期间γ￠相的定向生长及影响因素

通过测算不同成分Ni-Cr-Co-W-Mo-Al-Ta系单晶合金在蠕变期间元素扩散的迁移率和γ'相定向粗化速率,研究了元素之间相互作用对扩散速率及γ'相定向粗化速率的影响.结果表明:在γ'相定向粗化期间,合金中γ'相的筏形化速率随成分和应力不同而变化,且γ'相筏形化时间随施加应力的提高而缩短,其中,元素扩散及γ'相定向粗化的驱动力与施加应力及弹性模量相关.元素之间的相互作用对元素Al的扩散速率有影响,随合金中难熔元素Ta+Mo总含量及Ta/W的比值增加,可提高Al的扩散激活能,降低Al的扩散速率,延长γ'相的筏形化时间.在γ'相定向筏化的扩散场中,由原子偏聚形成有序相是自由能降低的自发过程,其中较大半径的Al、Ta原子迁移至{100}晶面,可形成异类原子结合键及稳定的原子堆垛方式,是形成Ll2结构γ'有序相的主要原因.     

微量元素(Hf/Ta/Nb)添加对近α-Ti合金高温抗氧化性能的影响

利用"团簇加连接原子"结构模型解析典型高温近α-Ti合金Ti 1100成分,进而在此基础上添加Hf、Ta和Nb元素进行合金化,形成成分通式[Al-(Ti_(13.7)(Zr/Hf)_(0.3))](Al0.69Sn_(0.18)Si_(0.12))(Mo/Ta/Nb)_(0.03))。合金组织结构分析和高温抗氧化性结果表明:Hf元素的添加并未改变合金的结构和组织,在此基础上,不同配比的Ta和Nb替代Mo时合金由片层转变β组织转变为等轴α组织;系列合金在800℃下,Hf替代Zr后合金的抗氧化能力显著提高,Ta和Nb进一步合金化后合金的抗氧化能力进一步增强,其100 h后的氧化质量增加约为(2.2±0.2)mg/cm~2。     

单晶镍基合金蠕变期间γ＇相的定向生长及影响因素

通过测算不同成分Ni-Cr-Co—W-Mo-Al-Ta系单晶合金在蠕变期间元素扩散的迁移率和γ＇相定向粗化速率，研究了元素之间相互作用对扩散速率及γ＇相定向粗化速率的影响。结果表明：在γ＇相定向粗化期间，合金中γ＇相的筏形化速率随成分和应力不同而变化，且γ＇相筏形化时间随施加应力的提高而缩短，其中，元素扩散及γ＇相定向粗化的驱动力与施加应力及弹性模量相关。元素之间的相互作用对元素Al的扩散速率有影响，随合金中难熔元素Ta＋Mo总含量及Ta／W的比值增加，可提高Al的扩散激活能，降低Al的扩散速率，延长γ＇相的筏形化时间。在γ＇相定向筏化的扩散场中，由原子偏聚形成有序相是自由能降低的自发过程，其中较大半径的Al、Ta原子迁移至{100}晶面，可形成异类原子结合键及稳定的原子堆垛方式，是形成三Ll2结构γ＇有序相的主要原因。