一种新型亚稳态多元钛合金，具有优异的强度-延展性协同性能，并且加工成本低廉

《Materials Science and Engineering: A》：A novel metastable multi-element titanium alloy with superior strength-ductility synergy and processability at low cost

钛合金通过价电子浓度（VEC）约束设计，结合第一性原理计算优化成分，开发出低成本（降低21%-48%）且高强度（1361 MPa）的新合金Ti-1V-3.5Mo-2Cr-6Fe-1.7Al。冷轧后延展率达28%，位错滑移机制提升塑性；时效处理后析出细小针状/片状α相，显著强化且保持一定延展性。

　　钛合金因其优异的性能，如高强度、高耐腐蚀性和良好的冷变形能力，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。随着其应用范围的不断拓展，提高其加工性能和降低成本已成为研究的重点。本文提出了一种创新的策略，用于设计具有低成本、高强和良好冷变形能力的钛合金。该研究基于对钛合金组成与性能之间关系的深入理解，特别关注了元素价电子浓度（VEC）与合金组成之间的线性关系，利用VEC作为设计约束条件，成功开发出Ti-1V-3.5Mo-2Cr-6Fe-1.7Al合金。

该合金的设计过程中，采用基于第一性原理的热力学方法预测不同组成合金的平衡相组成，从而确保其具备良好的时效硬化行为，实现高强性能。同时，考虑到成本因素，研究选择了高VEC值的合金组成，以保证合金的冷变形能力，同时尽可能使用低成本的合金元素。实验结果表明，该合金在冷轧和退火处理后，表现出优异的加工性能，其屈服强度达到1030 MPa，延伸率达到28%。这说明该合金在实际应用中具有较高的可行性。

通过透射电子显微镜（TEM）的明场图像分析，研究发现退火后的合金微观结构中存在高密度的森林位错，且不同滑移系统之间的位错交叉滑移促进了均匀的塑性变形。这为理解该合金的冷变形机制提供了重要依据。此外，研究还通过时效处理（500°C）观察到合金中出现大量针状和层状α相的析出，这些α相的高密度以及高能α-β相界面进一步提升了时效后的合金强度，使其屈服强度达到1361 MPa，同时延伸率仍保持在6%左右，这表明该合金在强度和延展性之间取得了良好的平衡。

从成本角度来看，与具有类似性能的常规钛合金相比，该合金的原材料成本降低了约21%至48%。这一显著的成本优势使其在大规模工业应用中更具竞争力。然而，实现这一成本优势的同时，也必须确保合金的性能不受影响，这需要在合金设计和加工过程中进行精确的控制。

在合金设计方面，研究发现V和Mo是同质的β相稳定元素，它们在BCC和HCP晶体结构中与Ti具有无限的互溶性。Cr作为一种慢共晶元素，通常添加量不超过3%，以防止在时效过程中形成TiCr?相。相比之下，Fe作为一种快共晶元素，能够提供出色的固溶强化效果，同时由于其成本较低，有助于降低整个合金的制造成本。为了避免晶间偏析，研究还特别关注了高熔点元素如Mo和Cr的添加对合金微观结构的影响，以及Fe在合金中的分布特性。

在实验过程中，Ti-1V-3.5Mo-2Cr-6Fe-1.7Al合金的制备采用了高纯度的Ti、V、Mo、Cr、Fe和Al原料。合金锭在真空非消耗电弧炉中进行熔炼，并在氩气保护下获得100 g的合金。为了确保合金成分的均匀性，合金锭被熔炼了五次。随后，合金锭在氩气气氛下进行均质化处理，温度设定为900°C，持续时间为2小时。均质化处理后，合金锭被切割成矩形样品，以便进行后续的力学性能测试和微观结构分析。

在均质化和退火后的合金微观结构分析中，研究发现多元素钛合金在单β-BCC结构下表现出良好的冷变形能力，而α相的析出则对冷变形能力产生不利影响。因此，研究通过控制合金组成，使其在冷轧和退火处理后能够实现最佳的加工性能。同时，研究也关注了高熔点元素如Mo和Cr在合金中的添加对晶间偏析的影响，以及Fe在合金中的分布对加工性能的影响。

在塑性变形和强化机制的研究中，研究发现退火后的合金延伸率达到28%，这表明其在塑性方面具有明显优势。为了进一步探究这一高塑性性的来源，研究在双束TEM条件下对拉伸至约4%应变的样品进行了观察。分析结果表明，不同g矢量沿[-111]区轴方向下的位错配置对于理解合金的变形机制至关重要。研究发现，位错在不同滑移系统之间的交叉滑移促进了均匀的塑性变形，从而提升了合金的整体性能。

在时效后的合金强化机制研究中，研究发现合金中出现大量针状和层状α相的析出，这些α相的高密度以及高能α-β相界面进一步提升了合金的强度。这表明，通过合理的合金设计和优化的热处理工艺，可以有效提升钛合金的性能。同时，研究还通过统计分析，验证了该合金在成本和性能之间的平衡，为未来的钛合金研究提供了重要的参考。

综上所述，本文提出了一种基于VEC理论的系统性合金设计策略，成功开发出一种具有低成本、高强和良好冷变形能力的钛合金。该合金的设计过程中，结合了第一性原理的热力学计算和实验验证，确保了其在加工和性能上的平衡。同时，研究还通过实验和分析，揭示了该合金的变形机制和强化机制，为未来的钛合金研究提供了重要的理论和实践支持。该研究不仅为航空航天和轻量化汽车部件提供了关键的材料支持，还为其他金属结构材料的设计和实验方法提供了可复制的框架。