摘要
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10×10-6K-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″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″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-8.8×10-6K-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″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0.8×10-6K-1，接近零膨胀。
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