【摘 要】
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β钛合金因具有高比强度、良好的弹性和变形加工能力而被广泛应用于航空航天等领域。本文系统研究了β稳定性、O元素及时效温度对几种Ti-Nb-Zr-Sn系合金的显微组织与力学性能的影响,并从中寻找弹性变形能力最优的合金成分,以适用于制备航空用弹簧以及高超声速飞行器的高弹性耐热元件。此外,还研究了钛合金的热膨胀行为,通过获得具有较高使用温度的负膨胀和近零膨胀合金,以探索其在高精度仪器构件方面的应用潜力。主
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β钛合金因具有高比强度、良好的弹性和变形加工能力而被广泛应用于航空航天等领域。本文系统研究了β稳定性、O元素及时效温度对几种Ti-Nb-Zr-Sn系合金的显微组织与力学性能的影响,并从中寻找弹性变形能力最优的合金成分,以适用于制备航空用弹簧以及高超声速飞行器的高弹性耐热元件。此外,还研究了钛合金的热膨胀行为,通过获得具有较高使用温度的负膨胀和近零膨胀合金,以探索其在高精度仪器构件方面的应用潜力。主要研究内容及成果如下:（1）研究了Ti-35Nb-6Zr-4.5Sn（0,0.3O）与Ti-35Nb-4Zr-2Sn-（0,0.3O）合金经80%冷轧及400℃～500℃时效处理后的组织与性能变化。结果表明:Ti-35Nb-6Zr-4.5Sn合金由于β稳定性过强,时效后α相析出量不足,合金强化效果不明显,柔韧性指数(σ0.2/E)最高仅达到1.38%。Ti-35Nb-4Zr-2Sn合金较前者的β稳定性有所下降,时效后α相析出量增加,合金强度大幅提高,σ0.2/E提升到1.49%。添加O元素后,合金性能均得到了进一步提升,其中Ti-35Nb-4Zr-2Sn-0.3O合金在400℃时效后综合性能最优,σ0.2/E达到1.70%。（2）研究了Ti-32.5Nb-6.8Zr-2.7Sn与Ti-33Nb-6Zr-4.5Sn合金经90%冷轧及350℃～550℃时效处理后的组织与性能变化。这两种合金的β稳定性较前述两种合金进一步降低。结果表明:随时效温度升高,两种合金的α相析出量先增加,在400℃达到析出峰值,从500℃开始α相发生明显粗化,含量显著下降;合金的强度和模量总体上与α相体积分数呈正相关关系。相比之下,Ti-32.5Nb-6.8Zr-2.7Sn合金的综合性能更佳,σ0.2/E最高达到1.80%,这可能是因为该合金的β稳定性比Ti-33Nb-6Zr-4.5Sn合金略低,其α相的析出强化效应更为显著。（3）研究了Ti-35Nb-4Zr-2Sn合金与三种Ti-Nb-Mo合金的热膨胀行为。结果表明:Ti-35Nb-4Zr-2Sn合金固溶及80%冷轧后均由β相构成,且均表现为正常热膨胀(热膨胀系数为10×10-6 K-1),表明合金的热膨胀系数并不受冷轧产生的织构、内应力和缺陷的影响。Ti-15Nb-10Mo、Ti-20Nb-8Mo与Ti-25Nb-6Mo合金经固溶及90%冷轧后均由β相和α~2相构成,冷轧合金沿轧向均出现了负热膨胀现象,且平均负热膨胀系数（绝对值）与α~2相体积分数呈正相关关系。其中,Ti-25Nb-6Mo产生的负热膨胀最大,在25℃～387℃范围内平均热膨胀系数α25℃-387℃达到-8.8×10-6 K-1,而Ti-15Nb-10Mo的负热膨胀温度范围最宽,最高可持续到424℃。三种合金中Ti-25Nb-6Mo的综合性能最优,冷轧态下σ0.2/E达到1.72%。将Ti-25Nb-6Mo合金在380℃下时效,随着时效时间延长,α~2相含量逐渐降低,α25℃-380℃（绝对值）逐渐减小。其中,时效60s后合金的α25℃-380℃仅为0.8×10-6 K-1,接近零膨胀。
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