鈦合金因其高比強度和優異的耐腐蝕性而成為最重要的結構材料之一。由于其原材料成本高，其應用大多局限于飛機、潛艇等高端先進系統。此外，大多數鈦合金的可加工性較差，大大增加了其在制造過程中的生產成本。因此，開發具有近凈成形制造能力的低成本、高性能鈦合金勢在必行。鑄造技術是一種成熟、有效的近凈成形技術，常規鑄造已用于制備純Ti和Ti-6Al-4V零件。鑄態Ti及其合金相關的一個主要問題是其粗大的晶粒和析出相組織，以及相對較差的力學性能。大多數Ti合金(包括Ti64合金)最初是為鍛造工藝而設計的，而沒有對其鑄態時的微觀組織進行優化。鑄態的Ti64合金具有較大的晶粒和粗大的α簇，這是其力學性能較差的主要原因。在鑄造應用中，考慮到鑄造后不進行熱機械處理以降低成本，優化合金成分以控制鑄態組織就變得至關重要。

香港城市大學的研究人員借助相圖計算方法，開發出一種新型的強韌性鑄造鈦合金Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(wt%)，與鑄態Ti-6Al-4V合金相比，晶粒尺寸明顯細化，屈服強度和塑性分別提高了19.7%和51.8%。相關論文以題為“A new α+β Ti-alloy with refined microstructures and enhanced mechanical properties in the as-cast state”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114260

本研究中合金元素的選擇基于以下考慮：(1)在鑄造過程中晶粒細化的能力；(2)對α相和β相微觀組織及體積分數變化的影響；(3)不存在脆性金屬間相；(4)合金元素原料成本低。考慮到V元素成本高且抗氧化/硫化性能差，在基礎合金Ti64中應降低其含量，以Cr和Fe替代。Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金相較于鑄態Ti64晶粒尺寸和α板條厚度明顯細化了50-75%，顯示出優異的力學性能，合金的屈服強度為1057±39 MPa，拉伸伸長率為8.5±0.6%，塑性的提高是由于β相分數的增加以及晶粒結構細化，而強度的增加歸因于的固溶強化、Hall-Petch效應和第二相強化協同作用。

圖1 (a-d) Ti-X (Al, V, Fe, Cr)二元相圖；(e)計算出Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的生長限制因子Q以及平均晶粒尺寸的實驗統計結果；(f)和(g)為合金晶粒組織的光學顯微圖

圖2 (a)鑄態合金的XRD結果；(b, c)兩種合金的相分數與溫度的關系；(d, e)合金的顯微組織

圖3 (a)鑄態合金的工程應力-應變曲線；(b)與Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe成分優化過程中屈服強度增量的來源示意圖

圖4 (a, b) 鑄態合金的斷口； (c, d) 鑄態合金的斷口形貌

綜上所述，本文證實了一種新的策略，在CALPHAD計算的幫助下設計出一種強韌性的新型鑄態鈦合金。通過添加1 wt%的Cr和Fe，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe的過冷能力得到提高，凝固過程中晶粒明顯細化，鑄錠無宏觀偏析現象。細化的晶粒結構、α板條厚度、固溶強化以及較高的β相殘留率共同促進了Ti合金強度和塑性的提高。此外，這種新型的低成本合金只含2%的V，而不是4%的V，有望提高合金的耐蝕性。本文方法不僅開發出了一種有前途的鑄造型鈦合金，可以取代目前廣泛應用的鑄造Ti64合金，還為設計具有近凈成形能力的新一代金屬材料(如鑄造、增材制造等等)提供了理論基礎。