1 研究背景和意义

金属钛元素是地壳中含量最为丰富的材料之一，地壳中金属元素钛元素含量位列第四（0.86%），居铝、铁、镁之后。虽然钛元素在地壳中的含量高，但是含钛量高的矿石却很难找，甚至没有国家发现纯钛的出现，仅以氧化物存在，如FeTiO₃、TiO₂。

自20世纪50年代第一批钛合金（Ti-6Al-4V）问世以来，钛的工业化生产只有半个世纪的历史，但现在钛及其合金已经被广泛应用于航天、航海、航空、石油、化工、轻工、冶金、机械、医疗、能源等许多领域。

钛及钛合金具有各种优良性能（密度小、比强度高、耐腐蚀^[1]、耐高、低温性能好、无磁、无毒）。钛金属被称为”海洋金属”^[2,3]。由于其表面有一层致密的、稳定的氧化物薄膜而具有卓越的耐蚀性，适用于作以海水为介质的各类热交换器。在海水条件中具有优越的耐均匀腐蚀、点蚀及其他局部腐蚀。其耐海洋海水与海洋大气腐蚀的性能特点被广泛应用于轻型海洋工作装备，如深海探测器、钻井平台等。钛是优质轻型耐蚀结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料，被誉为仅次于铁、铝的”第三金属”。具有储氢、超导、形状记忆、超弹和高阻尼等特殊功能，对国防、国民经济建设和社会发展具有极重要的战略意义。随着钛及其合金的广泛应用及人们的重视程度的提高，航空航天对高强度、高断裂韧性的新型结构钛合金的需要越来越迫切，研究能够用于航空大型结构件的新型”飞行金属” 钛合金得到世界各国的重视。

本课题中Ti-35421是高强高韧近β钛合金^[10]，具有β相线低、加工变形性能好、整体净成型容易等优点，并且容易实现不同强度和韧性等指标的匹配调控，获得优异的综合力学性能。近β钛合金不但在航空领域受到重视，如已大量用于制作美国波音B787、欧洲空客A380先进客机的起落架、机翼等关键部位承力构件，而且在汽车、船舰以及体育休闲等领域也有广泛应用。

2 高强高韧钛合金的分类

高强度合金是指亚稳定β合金和近β合金。钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同素异晶体，同素异晶体的转变温度为882.5℃，低于882℃的为密排六方结构的α钛，882℃以上为体心立方的β钛。根据所含的β稳定元素量的不同，当合金中的β稳定元素含量足够高时,β固溶处理后经炉冷、空冷或水淬将β相保留至室温,这种合金属于β钛合金。

各国在研究设计β高强度合金时，为保β相的稳定性，分别提出Mo当量^[5]公式、电子浓度和β相稳定系数K_β。按亚稳定状态组织类型分类时,β钛合金可分为稳定型β合金、亚稳定β型钛合金和近β型钛合金；按Mo当量参数分类时，当合金Mo当量大于30wt%时，合金是稳定型β钛合金（如Ti-32Mo,Ti-35V-15Cr等），当合金中Mo当量在8wt%以上，30wt%以下，这类合金是亚稳定β合金，它包括了现在的大部分β钛合金；低于8wt%的Mo当量合金，属于近β钛合金，这类合金的研究引起了关注。

2.1 稳定β型钛合金

稳定β型钛合金在室温具有稳定的β相组织,具有良好的耐腐蚀性能、热强性、热稳定性、可焊性和冷成型性。无热处理效应,退火后为全β相。典型的稳定β型钛合金Ti-32Mo。还原性酸性介质中具有优良的耐腐蚀性能,是最有前途的耐蚀钛合金之一。

2.2亚稳定β型钛合金

亚稳定β型钛合金含有临界浓度以上的β稳定元素，Mo当量为13.8～25，K_β为1.37～2.38，电子浓度为4.18～4.33，从β相区固溶处理后空冷或水淬，几乎全部为亚稳定β相。固溶处理状态具有中等强度和高的塑性，冷成型性和可焊性好。经时效，室温强度高。在高强度状态下具有高的断裂韧性，在350℃以上热稳定性差，可在300℃以下使用。此类合金淬透性好。

2.3 近β型钛合金

近β型钛合金含有临界浓度附近的β稳定元素，Mo当量为8.5～13.8，K_β为1.10～1.21，电子浓度为4.15～4.16，因此此类合金兼有α＋β两相和亚稳定β相合金的性能特征，即在固溶状态具有良好的冷加工性能，在固溶时效状态下具有良好的强度、塑性和断裂韧性相匹配，且热加工工艺性能十分优异，加工温度及变形抗力远低于大多数工业钛合金。另外，此类合金淬透性高，可用于大截面结构件。

3 高强高韧钛合金的强化机制

3.1高强高韧钛合金的热处理强化机制

β钛合金在实际应用的热处理^[7]类型大致可分为两类，退火和强化热处理。强化热处理中根据合金在高温急速冷却后相是否发生同素异构转变分为淬火和固溶，淬火后β钛合金发生同素异构转变β#8212;α #8217;#8217;、过渡相ω；固溶后钛合金发生过饱和固溶β#8212;β亚稳。