钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性而成为最重要的结构材料之一。由于其原材料成本高，其应用大多局限于飞机、潜艇等高端先进系统。此外，大多数钛合金的可加工性较差，大大增加了其在制造过程中的生产成本。因此，开发具有近净成形制造能力的低成本、高性能钛合金势在必行。铸造技术是一种成熟、有效的近净成形技术，常规铸造已用于制备纯Ti和Ti-6Al-4V零件。铸态Ti及其合金相关的一个主要问题是其粗大的晶粒和析出相组织，以及相对较差的力学性能。大多数Ti合金(包括Ti64合金)最初是为锻造工艺而设计的，而没有对其铸态时的微观组织进行优化。铸态的Ti64合金具有较大的晶粒和粗大的α簇，这是其力学性能较差的主要原因。在铸造应用中，考虑到铸造后不进行热机械处理以降低成本，优化合金成分以控制铸态组织就变得至关重要。

香港城市大学的研究人员借助相图计算方法，开发出一种新型的强韧性铸造钛合金Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe(wt%)，与铸态Ti-6Al-4V合金相比，晶粒尺寸明显细化，屈服强度和塑性分别提高了19.7%和51.8%。相关论文以题为“A new α+β Ti-alloy with refined microstructures and enhanced mechanical properties in the as-cast state”发表在Scripta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114260

本研究中合金元素的选择基于以下考虑：(1)在铸造过程中晶粒细化的能力；(2)对α相和β相微观组织及体积分数变化的影响；(3)不存在脆性金属间相；(4)合金元素原料成本低。考虑到V元素成本高且抗氧化/硫化性能差，在基础合金Ti64中应降低其含量，以Cr和Fe替代。Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金相较于铸态Ti64晶粒尺寸和α板条厚度明显细化了50-75%，显示出优异的力学性能，合金的屈服强度为1057±39 MPa，拉伸伸长率为8.5±0.6%，塑性的提高是由于β相分数的增加以及晶粒结构细化，而强度的增加归因于的固溶强化、Hall-Petch效应和第二相强化协同作用。

图1 (a-d) Ti-X (Al, V, Fe, Cr)二元相图；(e)计算出Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe合金的生长限制因子Q以及平均晶粒尺寸的实验统计结果；(f)和(g)为合金晶粒组织的光学显微图

图2 (a)铸态合金的XRD结果；(b, c)两种合金的相分数与温度的关系；(d, e)合金的显微组织

图3 (a)铸态合金的工程应力-应变曲线；(b)与Ti-6Al-4V相比，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe成分优化过程中屈服强度增量的来源示意图

图4 (a, b) 铸态合金的断口； (c, d) 铸态合金的断口形貌

综上所述，本文证实了一种新的策略，在CALPHAD计算的帮助下设计出一种强韧性的新型铸态钛合金。通过添加1 wt%的Cr和Fe，Ti-6Al-2V-1Cr-1Fe的过冷能力得到提高，凝固过程中晶粒明显细化，铸锭无宏观偏析现象。细化的晶粒结构、α板条厚度、固溶强化以及较高的β相残留率共同促进了Ti合金强度和塑性的提高。此外，这种新型的低成本合金只含2%的V，而不是4%的V，有望提高合金的耐蚀性。本文方法不仅开发出了一种有前途的铸造型钛合金，可以取代目前广泛应用的铸造Ti64合金，还为设计具有近净成形能力的新一代金属材料(如铸造、增材制造等等)提供了理论基础。