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第 1 期第 137-145 页材料工程Vol.52Jan. 2024Journal of Materials EngineeringNo.1pp.137-145第 52 卷2024 年 1 月Al 和Ti 含量对激光熔炼Al x NbTi y V 轻质高熵合金组织与性能的影响Effect of Al and Ti content on microstructure and properties of laser melting Al x NbTi y V lightweight high entropy alloy李子兴1，2，朱言言1，2，3*，程序1，2，3，张言嵩2，4，高红卫1，2，霍海鑫1，2（1 北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院，北京 100191；2 北京航空航天大学 大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191；3 北京航空航天大学 宁波创新研究院，浙江 宁波 315800；4 北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 100191）LI Zixing 1，2，ZHU Yanyan 1，2，3*，CHENG Xu 1，2，3，ZHANG Yansong 2，4，GAO Hongwei 1，2，HUO Haixin 1，2（1 Research Institute for Frontier Science ，Beihang University ，Beijing100191，China ；2 National Engineering Laboratory of AdditiveManufacturing for Large Metallic Components ，Beihang University ，Beijing 100191，China ；3 Ningbo Institute of Technology ，Beihang University ，Ningbo 315800，Zhejiang ，China ；4 School of Materials Science and Engineering ，Beihang University ，Beijing 100191，China ）摘要：轻质高熵合金在结构材料轻量化方面显示出巨大的应用价值，激光熔炼和激光增材制造技术因其极端冶金条件，为高熵合金研制提供了新思路。
干货丨高清金相图谱之钛及钛合金来源：材易通。
初生α相(primary α)从α+β相区上部加热保留下来的α相。
一般初生α相多呈等轴状，而等轴状的α相几乎都是初生α相。
次生α相(secondary α)从α+β相区上部加热，冷却和时效过程中β相分解产生的α相。
一般次生α相多呈片层状，长宽比较大。
原始β晶粒(prior β grain)最后一次进入到β相区时形成的β晶粒，这些晶粒可能会在β转变点以下的加工时变形。
转变β组织(transformed β structure)从β转变点以上或α+β相区保温冷却过程中β相分解所形成的混合组织，通常由片状α和β交替排列组成。
集束(colonies)β在原始β晶粒内，α片取向几乎相同的区域。
不同方向的集束相互交错，构成了β转变组织。
α'相(α prime/hexagonal martensite phase)β相以非扩散转变形成的过饱和非平衡六方晶格α相。
形态为针状，长宽比高。
由于其形核不依赖于位置，形成的马氏体针常常交错排布，终止于晶界。
α'相(α double prime/orthorhombic martensite phase)由β相以非扩散转变形成的过包和非平衡斜方相，也可能是由于加工应变而引起的。
一般认为α'相是β相向α'相转变的过渡相，退火时效过程中，可以发生α'相向α'相的转变。
ω相(ω phase)在β相分解过程中，通过形核长大的一种非平衡显微相，是β相向α相转变的过渡相。
淬火、时效都可以形成ω相，淬火形成的是无热ω相，时效形成的是等温ω相。
有资料认为，应力应变也可以引发β相向ω相的相变。
ω相引起合金强度升高，塑韧性严重降低。
β'相(β' phase)溶质富化型亚稳定β钛合金中β相通过相分离反应形成的一种浓度较低的亚稳相，此时ω相形成受到抑制，和调幅分解的主要区别在于调幅分解没有形核，而β'相的生成是通过形核长大过程实现的。
Al-Si相图摘要：本篇Tech-Note主要研究Al-Si相图，这样的研究具有很重要的实际意义。
二元相图是研究复杂合金的根底。
在Al合金中的Si和Fe被认为是杂质元素存在，但是在铸造和锻造Al合金中Si又是一种添加元素。
各种铸造Al合金中Si的含量从5~22%〔重量比〕不等。
Al具有重量轻、优良的机械性能、独特的防腐性、消费本钱适中和易于成型等特性，所以具有广泛的商业应用价值。
Al的密度大约是2.7 g/cm33) 和Be(密度约1.85 g/cm3)。
但是Al及其合金由于其本钱低于Mg 或Be 合金，故应用更为广泛。
Al和Mg合金的熔点范围非常接近，它们的熔点范围分别为：铸造Al合金约为565—640 °C (约1050 —1185 °F)；铸造Mg合金约为593—648 °C (1100—1198 °F)。
冶金专家和金相专家对于二元相图进展了大量的研究并绘制出化学成分与相转变温度的关系曲线，但是这些研究都是在“平衡态〞下进展的。
所谓平衡态是指：金属的消费过程中加热和冷却速度都非常缓慢，但是在实际消费中加热和冷却速度都非常快这就是所谓“非平衡状态〞。
尽管如此，相图还是我们研究合金转变的根本工具。
例如：利用相图我们知道金属的熔点和凝固点、凝固过程、平衡相的形成、合金元素或杂质元素的极限溶解度和第二相的分解温度。
本篇Tech-Note主要研究Al-Si相图，这样的研究具有很重要的实际意义。
二元相图是研究复杂合金的根底。
在Al合金中的Si和Fe被认为是杂质元素存在，但是在铸造和锻造Al合金中Si又是一种添加元素。
各种铸造Al合金中Si的含量从5~22%〔重量比〕不等。
在这个范围内，Si元素可以进步Al合金的流动性铸造性能，3xx.x (Al-Si-Cu)系和4xx.x (Al-MgSi)系铸造Al合金(US Al协会编号) 具有广泛的商业应用。
过共晶合金(合金中Si含量大于12.6%，共晶成分)中包含具有进步耐磨性的初晶Si颗粒。
第15卷第1期2024年2月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.15，No.1Feb. 2024Ti-Al-Fe-O 熔体中氧化铝析出行为的研究戎宇航1，2， 朱翔鹰*1，2， 陈军修1，2， 吴长军1，2，涂浩1，2， 王建华1，2， 苏旭平1，2（1.江苏省材料表面科学与技术重点实验室，江苏 常州 213164； 2.常州大学材料科学与工程学院，江苏 常州 213164）摘要：铝热法制备的高钛铁（ω（Ti ）>65%，质量分数，下同）由于ω（O ）和ω（Al ）都大于5%而无法工业应用。
Ti-Al-Fe-O 系熔体中ω（Al ）和ω（Ti ）关系决定铝脱氧极限。
本文用真空非自耗电弧炉在1 800~2 000 ℃范围内充分熔炼Ti-Al-Fe-O 系（ω（Ti ）=30%~75%，ω（Al ） =5%~20%，ω（O ）=5%）样品，然后在水冷铜模中快速冷却，采用XRD 、SEM 和EDS 进行了样品检测。
实验结果表明，成分为60Ti20Al15Fe5O 的熔体中快冷相的析出顺序为Al 2O 3相、钛氧相、钛铝相、钛铁氧相、钛铁相，而且析出相的ω（O ）按照析出顺序逐步降低。
达到同样的脱氧极限前提下，Ti-Al-Fe-O 系熔体中ω（Ti ）越高，平衡所需的ω（Al ）越高。
当脱氧极限为5%且ω（Ti ）>50%时， Al 2O 3析出曲线上的ω（Al ）和ω（Ti ）关系遵循：ω（Al ） = 0.017 635 + 0.176 35ω（Ti ）。
关键词：高钛铁；铝热法；氧化铝；析出；脱氧极限中图分类号：TF82 文献标志码：AStudy on alumina precipitation behavior in Ti-Al-Fe-O meltsRONG Yuhang 1, 2, ZHU Xiangying *1, 2, CHEN Junxiu 1, 2, WU Changjun 1, 2,TU Hao 1, 2, WANG Jianhua 1, 2, SU Xuping 1, 2（1. Jiangsu Key Laboratory of Material Surface Science and Technology ， Changzhou University ， Changzhou 213164，Jiangsu ， China ；2. School of Materials Science and Engineering ， Changzhou University ， Changzhou 213164，Jiangsu ， China ）Abstract: High ferrotitanium (ω(Ti)>65%, in mass fraction, same below) prepared by aluminothermy is not applicable for industrial use due to ω(O) and ω(Al) being greater than 5%. The deoxidation limit in melts of Ti-Al-Fe-O system is determined by the relationship between ω(Al) and ω(Ti). In this paper, the samples (ω(Ti)=30%-75%, ω(Al)=5%-20%, ω(O)=5%) were fully melted in a vacuum non-consumable arc furnace in the range of 1 800 ℃ to 2 000 ℃, rapidly cooled in a water-cooled copper mold, and detected by XRD, SEM and EDS. The experimental results show that the phase precipitation order in the melt with 60Ti20Al15Fe5O under fast cooling conditions is the Al 2O 3 phase, Ti-O phase, Ti-Al phase, Ti-Fe-O phase and Ti-Fe phase, and the ω (O) content of the precipitation phase sequentially decreases. Under the same deoxidation limit, the higher the ω (Ti) content in Ti-Al-Fe-O melt, the higher the ω(Al) content required for equilibrium. When the deoxidation limit is 5% and ω(Ti) is greater than 50% in Ti-Al-Fe-O melts, the relationship between ω(Al) and ω(Ti) on the Al 2O 3 precipitation curve follows ω(Al) =0.017 635+0.176 35ω(Ti).Keywords: high ferrotitanium ； aluminothermy ； alumina ； precipitation ； deoxidation limit收稿日期：2022-12-24；修回日期：2023-04-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（52071032）通信作者：朱翔鹰（1977— ），讲师，主要从事有色金属资源循环利用及铁合金研究。
钛及钛合金金相图谱（下）β型钛合金β型钛合金中又分为稳定β合金、亚稳定β合金、近β合金。
稳定β合金含有大量β稳定元素，退火后全部为β相。
其室温强度较低，冷成形性好，在还原性介质中耐蚀性较好；典型合金有Ti40。
亚稳定β合金含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的Al（一般不大于3%）和中性元素，从β相区固溶处理(水淬或空冷)后，几乎全部为亚稳定β相，这类合金冷加工性好，时效强度高。
近β合金含有临界浓度左右的β稳定元素，和一定量的中性元素及铝，从β相区固溶处理后有大量亚稳定β相及其他亚稳定相(α或ω相)，时效后，主要是α相和β相，这类合金适合加工成锻件产品，具有优良的强韧性匹配。
1稳定β钛合金Ti40Ti40合金是90年代中期由西北有色金属院研制的一种Ti-Cr-V系阻燃钛合金，属于稳定β型钛合金，合金相变点约400℃。
应用于高性能航空发动机机匣等部位。
Ti40合金典型力学性能如表3-1表3-2所示。
图3-1~图3-9为Ti40合金常见的微观组织。
表3-1 Ti40合金室温力学性能表3-2 Ti40合金高温蠕变性能图3-1 Ti40合金热加工态组织：弯曲状β晶界图3-2 Ti40合金600℃退火组织：弯曲状β晶界少量加工流线图3-3 Ti40合金700℃退火组织：等轴β组织图3-4 Ti40合金800℃退火组织：等轴β组织（β晶界平直化）图3-5 Ti40合金固溶组织：等轴β组织图3-6 Ti40合金520℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织图3-7 Ti40合金535℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织及变形引起的孪晶图3-8 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)图3-9 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)2亚稳定β钛合金典型合金有TB2、TB3、Ti-15-3(TBS)、Ti26等。
2.1TB3合金TB3合金名义成分Ti3.5Al10Mo8V1Fe，是一种亚稳定β型钛合金，相变点730~750℃，该合金由西北有色金属研究院于20世纪80年代研制（原称Ti22合金），具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。
文章编号:1671-3559(2006)02-0095-03收稿日期:2006-02-21基金项目:山东省自然科学基金(2002F21);济南市科技明星计划(50119)作者简介:王 志(1962-),男,山东青岛人,教授,博士,硕士生导师。
T i/Al 2O 3梯度功能材料抗热震性能评价王 志1,季英瑞2,史国普1(1.济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022;2.山东铁正工程试验检测中心,山东济南250014)摘 要:采用热压烧结(HP )技术制备了界面结合紧密、结构完整的T i/Al 2O 3梯度功能材料,并分别在1000℃、600℃温差下对其抗热冲击及抗热疲劳性能进行了研究。
结果表明:在热冲击和热疲劳实验过程中材料均无梯度层间横向贯穿裂纹,没有发生失稳断裂,具有良好的抗热冲击性能和热应力缓和性能。
关键词:梯度功能材料;抗热冲击;抗热疲劳中图分类号:T B333文献标识码:A梯度功能材料(functionally graded materials ,简称FG M )是由新野正之等人在1987年提出的一种全新的复合材料概念[1],其优点之一是其组成可按需设计,可消除传统陶瓷/金属宏观结合界面,达到热应力缓和的目的[2]。
Al 2O 3陶瓷是一种优良的耐高温材料,具有优异的热力学特性[3],金属T i 质轻、耐腐蚀、耐高温,有着优良的热电传导性且资源丰富[4],T i 及其合金都是航空航天工业中不可缺少的材料,将两者结合起来制备出性能优良的梯度功能材料,一直是航天航空材料学家的梦想。
文献[5]、[6]对T i/Al 2O 3复合材料的界面反应性能、力学性能、烧结特性等做了研究,但T i/Al 2O 3梯度功能材料的研究还甚少,特别是其性能表征尚未见有报道。
本文中采用热压烧结工艺制得结构完整的T i/Al 2O 3梯度功能材料,并对其抗热震性进行了评价。
1 实验内容原料采用T i 粉(纯度>99.6%,平均粒径为7.76μm ),α-Al 2O 3粉(纯度为99.8%,平均粒径1.5μm )及少量的Nb 粉(纯度为99%,平均粒径5.7μm )。
第四章二元合金相图与合金凝固一、填空1. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有起伏。
2. 按液固界面微观结构，界面可分为和。
3. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是，光滑界面晶体的长大机制是和。
4 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生偏析，用热处理方法可以消除。
5 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为状。
6. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为。
7 固溶体合金凝固时，溶质分布的有效分配系数k e= ，当凝固速率很大时k e趋于。
8. 在二元相图中，L1→α+L2叫反应，β→L+α称为转变，而反应α１—α２＋β称为反应，α+β→γ称为反应。
9 Fe-Fe3C相图中含碳量小于为钢，大于为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由和两个基本相组成；根据溶质原子的位置，奥氏体其晶体结构是，是固溶体，铁素体是，其晶体结构是，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含量是；珠光体的含碳量是，它是由和组成的两相混合物；莱氏体的含碳量是；在常温下，亚共析钢的平衡组织是，过共析钢的平衡组织是，亚共晶白口铸铁的平衡组织是，莱氏体的相组成物是，变态莱氏体的相组成物是，Fe3C I 是从中析出的，Fe3C II是从中析出的，Fe3C III是从中析出的，它们的含碳量为，Fe3C主要性能特点是，A共析反应后的生成物称为。
2 问答1 如图4-1所示为Ni-Al相图1）填出相图中各相区的平衡相；2）指出图中的稳定化合物和不稳定化合物；3）写出图中存在的恒温反应，指明反应类型；4）指出含Ni 30%(重量)的合金在平衡冷却时的相变过程，计算室温下的相组成与组织组成，并计算出其中组织组成物的百分数。
5）试说明含Ni89%（重量）的Ni-Al合金其平衡凝固与非平衡凝固后的显微组织的不同。
6）设X合金平衡凝固完毕时的组织为α（Al）初晶+(α+β)共晶，其中α初晶占80%，则此合金中Ni组元的含量是多少？7）绘出1500ε时Al-Ni合金系的自由能—成分曲线示意图。
⾦属共晶相图5.3.2 ⼆元共晶相图①共晶相图：当两组元在液态能⽆限互溶,在固态只能有限互溶,并具有共晶转变,这样的⼆元合⾦系所构成的相图称为⼆元共晶相图。
如Pb-Sn，Pb-Sb，Cu-Ag，Al-Si等合⾦的相图都属于共晶相图。
Pb-Sn合⾦相图是典型的⼆元共晶相图,见图, 下⾯以它为例进⾏讲解。
⾸先分析相图中的点,线和相区。
图铅锡相图⼀、相图分析1、点：t A，t B点分别是纯组元铅与锡的熔点，为和。
M点：为锡在铅中的最⼤溶解度点。
N点：为铅在锡中的最⼤溶解度点。
E点：为共晶点，具有该点成分的合⾦在恆温183℃时发⽣共晶转变L E→αM+βN共晶转变：是具有⼀定成分的液相在恆温下同时转变为两个具有⼀定成分和结构的固相的过程。
F点：为室温时锡在铅中的溶解度。
G点：为室温时铅在锡中的溶解度。
2、t A Et B线：为液相线，其中t A E线：为冷却时L→α的开始温度线，Et B线：为冷却时L→β的开始温度线。
t A MENt B线：为固相线，其中t A M线：为冷却时L→α的终⽌温度线，t B N线：为冷却时L→β的终⽌温度线。
MEN线：为共晶线，成分在M~N之间的合⾦在恒温183℃时均发⽣共晶转变L E→（αM+βN）形成两个固溶体所组成的机械混合物，通常称为共晶体或共晶组织。
MF线：是锡在铅中的溶解度曲线。
NG线：是铅在锡中的溶解度曲线。
3、相区（1）单相区：在t A Et B液相线以上,为单相的液相区⽤L表⽰，它是铅与锡组成的合⾦溶液。
t A MF线以左为单相α固溶体区，α相是Sn在Pb中的固溶体。
t B NG线以右为单相β固溶体区，β相是Pb在Sn中的固溶体。
（2）两相区：在t A EMt A区为L+α相区，在t B ENt B区为L+β相区。
在FMENGF区为α+β相区。
（3）三相线：MEN线为L+α+β三相共存线。
由相律可知三相平衡共存时，f=2-3+1=0，只能在恒温下实现。
具有共晶相图的⼆元系合⾦，通常可以根据它们在相图中的位置不同，分为以下⼏类：①成分对应于共晶点（E）的合⾦称为共晶合⾦，如Pb-Sn相图中含%的合⾦。
TiAl合金设计概述1 合金设计概述材料科学的发展是依赖于实验技术的创新和综合理论水平的提高。
材料科学是材料设计的理论基础,材料科学的发展方向决定了材料设计的方向。
合金设计是国外70 年代发展起来的一门新兴的交叉学科。
现今,根据科学理论,人们能动地设计出具有预想性能的材料的所谓材料设计在逐步兴起时,在金属材料中合金设计这一科学方法,更为广大冶金工作者所广泛采用。
这一方法必将逐步代替传统的、耗时费事的试探筛选方法。
由于在金属与合金设计中成分参数与组织参数不易控制,合金性能的推断也有一定困难,所以完善的金属与合金设计有待于材料科学与工程的进一步的发展。
可以说合金设计尚处于初级的发展阶段。
1.1 设计依据合金设计是一门综合学科。
它需要依据以下三方面综合考虑。
即(1)要充分了解合金在服役条件下的使用性能(如机械性能、物理性能等)。
(2)要了解合金从生产到制成产品的工艺性能(如铸、锻、焊、切削加工等)。
(3)还需要考虑非常重要的经济因素(如原料、价格、市场等) 。
可见,合金设计是通过合金成分和组织的严格控制与合理配合而获得预期的性能,它是建立在合金成分、组织、性能、工艺定量关系基础上的综合结果。
1.2 设计的方法与其步骤从研究方法来看,目前,国内外用于合金设计的方法有下述三种: 第一种方法基于材料科学角度进行合金设计。
由于多粒子量子力学计算,需引入许多边界条件,因而难以得到满意的结果。
计算机的发展,可处理数十个粒子的系统,但这和实际应用还有很大的差距。
尽管如此,从材料科学的角度进行合金设计的开发, 可从中引出许多合金设计的课题。
第二种方法, 从状态图角度进行合金设计。
这是大家比较熟悉常用的方法。
例如,根据Sn- Pb二元状态图来设计锡铅焊料。
根据Cu - Sn、Cu - Zn状态图来设计青铜及黄铜,根据Al- Si- Mg状态图来设计铸造铝合金等,在热力学计算相图方面,如高温合金中评价R 相的生成条件也有较好的进展。
2023 年第 43 卷航 空 材 料 学 报2023，Vol. 43第 2 期第 42 – 50 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.2 pp.42 – 50 Ti-Al-V-Zr合金的团簇式设计及铸态组织和力学性能刘毓涵1, 朱智浩1, 张 爽2, 董 闯1,2*（1．大连理工大学 三束材料改性教育部重点实验室， 辽宁 大连 116024；2．大连交通大学 材料科学与工程学院， 辽宁 大连116028）摘要：Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的钛合金，但其铸态强塑性不足。
本研究设计思想基于Ti-6Al-4V合金双团簇成分式α-{[Al-Ti12]（AlTi2）}12+β-{[Al-Ti14]（V2Ti）}5：首先通过改变β相团簇式个数为2，使合金成分偏向α-Ti，其次增加β相团簇式中V原子个数至3，提高了β-Ti结构单元稳定性，然后用不同个数Zr（x = 1、2、3、5）替代β相团簇式中Ti，最后得到了团簇式α-{[Al-Ti12]（AlTi2）}15-β-{[AlTi14-x Zr x]V3）}2，设计了Ti-（6.64～6.82）Al-（2.42～2.35）V-（1.44～7.02）Zr （质量分数/%）合金，采用非自耗真空电弧炉熔炼制备合金铸锭，并用真空铜模吸铸成合金棒材，进而对不同合金样品进行显微组织表征和拉伸测试。
结果表明：合金均由α'相马氏体组成，其形貌由针状魏氏逐渐转为网篮组织，其中Ti-6.64Al-2.35V-7.02Zr （Zr含量最高）合金为网篮组织，具有最佳的力学性能，屈服强度σYS为806 MPa，抗拉强度σUTS为963 MPa，伸长率δ为5.9%，相比于相同状态下Ti-6Al-4V合金，分别提高了23%、19%、51%；比强度和比硬度分别为217 kN•m/kg和0.71 GPa•cm3/g，相比于Ti-6Al-4V合金分别提高了18%和10%。
