氧含量对粉末冶金Ti-Nb合金的微观组织与力学性能的影响研究.pdf

摘要

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钛合金具有高比强度、优异的耐腐蚀以及良好的生物相容性等特点，在航

天军工、生物医用等产业得到大量应用。铸锭冶金钛合金已经得到成功的应用，

由于其较低的热导率，在材料后续机械加工中效果不理想。通过粉末冶金净成形

技术可以提高材料利用率，而合金烧结容易引入杂质氧的难题尚未妥善解决。本

课题采用粉末冶金方法制备不同氧含量的Ti-18Nb(at.%)合金，研究了氧含量对

Ti-18Nb合金显微组织，拉伸力学性能和压缩超弹性的影响，并分析其中的机理。

利用高真空烧结将合金氧含量控制在较低的基础上，通过热等静压(HIP)方式改

善烧结合金中的孔洞缺陷，研究随炉冷却与固溶水冷处理的Ti-Nb合金的相组成

与力学性能，探讨拉伸变形中组织与物相演变行为及其对应的塑性变形机制。本

文主要研究结果如下：

通过粉末冶金制备了不同氧含量的Ti-18Nb-(0.7、1.5和2.0at.%)O合金。烧

结态合金中，不同氧含量的合金的力学行为差异不大，整体表现为脆性。固溶水

冷态合金的塑性优于烧结态合金，随着氧含量的增加，合金的强度得到提升，但

塑性下降，且氧会抑制马氏体相变。不同氧含量的固溶水冷态合金在室温

下压缩变形表现出超弹性。随着压缩应变量的增大，出现残余应变。当加载应变

为5%时，Ti-18Nb-0.7O、Ti-18Nb-1.5O与Ti-18Nb-2.0O合金其可恢复应变分别

为2.9%、3.2%和3.5%，随着氧含量的增加，其可恢复应变的得到提高，这是因

为较高的氧含量提高了相的滑移临界应力，合金变形后残留位错的密度减少。

通过高真空烧结与HIP方式制备了氧含量低至0.18wt.%的全致密Ti-18Nb

合金。HIP后随炉冷却的样品拉伸延伸率仅1%，而固溶水冷的样品延伸率高达

22%。通过EBSD以及TEM等表征手段证明两种不同样品在塑性变形过程中都

发生了应力诱发马氏体相变；但随炉冷却的样品中应力诱发马氏体相变为

合金提供的塑性有限，而通过固溶水冷获得均匀的亚稳β相，发生应力诱发

马氏体相变，为合金提供良好的塑性。与此同时，较低的氧含量也是合金良好塑

性的重要因素。

本课题通过对比不同氧含量合金的微观组织与力学性能，发现氧的存在对合

金的相组成与力学性能影响较大。本研究将为粉末冶金制备钛合金的设计与制

备提供理论基础，为该类合金的工程化奠定基础。

关键词：粉末冶金；热等静压；Ti-Nb合金；氧含量；力学性能

I

Abstract

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βtitaniumalloyexhibithighspecificstrength,excellentcorrosionandhigh

temperatureresistanceandgoodbiocompatibility.Therefore,thisclassofalloyhas

beenwidelyusedinaerospace,militaryindustry,biomedicineandotherindustries.β

titaniumalloypreparedbyingotmetallurgyhasbeensuccessfullyapplied,butthe

effectoftitaniumalloyinsubsequentmachiningisnotidealduetoitslowthermal

conductivity.Powdermetallurgytechnologycanimprovematerialutilization.

However,theproblemofeasilyintroducingimpurityoxyg