【引用格式】
胡金寶，牟義強，徐勤思，等. Ti-45Nb合金研究現狀與應用進展［J］. 特種鑄造及有色合金，2024，44（3）：317-322.
Citation:HU J B，MOU Y Q，XU Q S，et al. Research status and application progress of Ti-45Nb alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（3）：317-322.
Ti-45Nb合金（國内牌号TB14）是常用的钛合金工程材料之一，具有良好的塑性、抗自燃性能、抗腐蝕性能，極低的彈性模量和優異的生物相容性。品質分數為45%的Nb固溶于Ti中形成具有單一β相的體心立方結構（BCC）的固溶體，具有良好的冷加工性能，且Nb元素無毒，正逐漸替代純钛和一些雙相（α+β）钛合金，如在航空航天用緊固件上取代純钛鉚釘，在醫學植入材料上取代雙相Ti-6Al-4V合金。針對Ti-45Nb合金的研究成果進行了綜述，論述了Ti-45Nb合金的制備工藝、強化方式及其應用現狀。
Ti-45Nb合金密度僅為5.7 g/cm3，Nb是機關品質氧化熱最低的金屬，其熔點為2 468 ℃，沸點為4 742 ℃，同時其在Ti中的溶解度很高，是以可認為Nb是降低Ti的自燃性最有效的元素之一。添加Nb作為合金元素的钛合金具有良好的阻燃性能和耐腐蝕性。Ti-45Nb合金具有優良的抗自燃性能和優異的冷加工性能，伸長率可達20%以上，收縮率高達60%～80%。
Nb元素的晶胞為體心立方晶胞，每個晶胞含有2個金屬原子。金屬Ti具有兩種同素異形态，低溫（<882.5 ℃）穩定态型為密排六方晶系，高溫穩定态型為體心立方晶系。Nb和Ti組成二進制共晶合金系。Ti-45Nb合金具有單一β相的體心立方結構（BCC），微觀組織為單一的等軸β相，見圖1。Ti-45Nb晶粒有明顯的取向性，為（110）取向，其主相為BCC結構。由于單質Nb和室溫狀态下Ti的晶體結構均為體心立方結構，且Ti和Nb的原子半徑很接近，二者互溶形成體心立方的TiNb固溶體，體心立方結構的明顯特征是塑性高，但強度和硬化速率較低，且具有優異的冷熱加工性能。
圖1 Ti-45Nb合金的微觀組織
沈陽航空航天大學民用航空學院研究人員聯合中科院金屬所在2024年第44卷第3期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了題為“Ti-45Nb合金研究現狀與應用進展”的文章，作者指出Ti-45Nb合金密度低、塑性高、比強度高、楊氏模量低，具有良好的力學性能、冷加工性能、抗自燃性能以及優異的耐腐蝕性。綜述了Ti-45Nb合金的實體特性、晶體結構、組織性能的特點以及常見的Ti-45Nb合金制備工藝，介紹了Ti-45Nb合金的性能改善途徑，以及近年來Ti-45Nb合金的研究現狀。
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【制備工藝綜述】
Ti-45Nb合金具有優良的性能和使用前景。美國針對Ti-45Nb合金進行了大量的基礎研究，技術較為成熟，在1974年将其列入AMS4982規範，2020年修訂為AMS4982G。該規範中提出合金應多次熔化，第一熔體應采用真空自耗電極、非自耗電極、電子束冷爐或等離子弧冷爐熔煉工藝。随後的熔體應采用真空電弧重熔（Vacuum arc remelting，VAR）工藝，在最後的熔體循環熔煉過程中不允許添加合金。MARTINS G V 等采用混合元素技術（Blended elemental technique）制備了Ti-45Nb合金，在電阻爐中利用氫化-脫氫（Hydride-dehydride，HDH）工藝制取Ti-Nb合金粉末，按比例權重并混合後放入封閉容器進行冷單軸壓制，在等靜壓機中以350 MPa的壓力冷等靜壓（Cold isostatically presseing，CIP）保持30 s。在真空條件下進行1 700 ℃燒結并保溫2 h後随爐冷卻至室溫制得Ti-45Nb合金。該方法制備的Ti-45Nb合金具有單一β相、高密度、高硬度和低彈性模量等特點。王澤龍等研究了一種真空自耗熔煉方法制備Ti-45Nb合金，以0級海綿钛和Nb顆粒為原料，按照Ti-45Nb钛合金的成配置設定比進行稱重、配料和混合，将混合原料壓制成單個電極塊，然後将多個同樣單電極塊組焊為一支自耗電極進行3次真空自耗重熔，最終得到Ti-45Nb钛合金鑄錠。該方法制備的Ti-45Nb钛合金鑄錠中Nb分布均勻，偏差不超過0.5%。李永華等通過粉末燒結法制備了多孔Ti-45Nb合金。Ti-45Nb合金的批量生産難題是制約其廣泛應用的因素之一。侯峰起等提出了一種Ti-45Nb合金盤圓絲材的制備方法，将鍛造的粗棒材進行孔型冷軋、輥模拉拔、真空退火、冷連軋軋圓和精密規圓，使得尺寸精确到一定精度。制造Ti-45Nb合金盤圓絲材，為大批量生産提供了一個很好的方案。因為Nb的氧化熱低且對O2的擴散率高，Nb作為Ti-45Nb合金的穩定元素，其含量直接影響合金性能。李正權等提出了一種用四苯砷氯鹽酸鹽品質法測定Ti-45Nb钛合金中Nb含量的方法，根據灼燒至恒重的品質計算Ti-45Nb钛合金中的Nb含量。能夠測定Nb含量對判斷并改進制備方案至關重要。
Ti-45Nb合金的性能強化
Ti-45Nb合金具有密度和彈性模量低、比強度高，良好的冷熱加工性、無磁無毒、良好的力學性能和生物相容性等特點，在航空、醫學領域有廣泛的應用前景，但低模量β钛合金具有力學性能和耐磨性較差等缺點。是以，常采用熱處理、超塑性變形、表面改性等工藝來提高Ti-45Nb合金的性能。
熱處理是提升合金材料性能的重要工藝手段。王新南等、樊開倫等研究了不同溫度下熱處理對Ti-45Nb合金顯微組織和力學性能的影響。根據AMS4982G，在真空中加熱至788~871 ℃進行退火，保溫足夠時間以制取符合性能要求的再結晶組織，并根據需要選取相應的冷卻方式。梁書錦等對冷變形量大于90%的Ti-45Nb合金絲材進行熱處理研究，發現隻有退火溫度高于810 ℃時，絲材才會發生完全再結晶，這與王新南等的研究結果一緻。馬凡蛟等發現随着熱處理溫度的提高，Ti-45Nb合金再結晶程度逐漸提高；随着變形量加大，完全再結晶的溫度逐漸下降。此外，随着退火溫度升高，晶粒尺寸明顯長大，Ti-45Nb合金的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，而伸長率和斷面收縮率大幅提高。對于鍛造态的試樣，再結晶溫度可選擇為850 ℃，經過850 ℃×1 h+AC（空冷）熱處理後，Ti-45Nb合金的抗拉強度為501.5 MPa，伸長率為19.75%，斷面收縮率為79.5%，剪切強度為366 MPa。熱處理時間也會對合金性能産生影響。王立亞等發現對于具有傳統粗晶粒Ti-45Nb合金，保溫時間控制在0.5～1.6 h，能夠得到均勻的顯微組織，同時提高了力學性能。
圖 2 不同退火溫度下Ti-45Nb合金的性能及SEM形貌
林楊等研究了時效溫度對Ti-45Nb合金組織與性能的影響，發現随着時效溫度的提高，Ti-45Nb合金始終呈等軸狀的β相組織。圖3為不同溫度下時效4 h後Ti-45Nb合金絲材的強度和塑性。可以看出，Ti-45Nb合金絲材的抗拉強度、屈服強度和剪切強度随時效溫度的提高先增加後減小，300 ℃時達到峰值，分别為510、477和372 MPa，伸長率為32%，斷面收縮率為79%，表現出較好的力學性能。
圖3 不同溫度下時效4 h後Ti-45Nb合金絲材的強度和塑性
對于納米級别的超細晶結構的Ti-45Nb合金， VÖLKER B等對超細晶Ti-45Nb合金進行（100~500） ℃×30 min的退火熱處理，發現合金硬度先增加後減小，在300 ℃達到峰值。退火後的透射電鏡圖見圖4。顯示了更清晰的微觀結構和更清晰的邊界，定性地證明硬度增大可歸因于退火時缺陷密度的降低。随後在300 ℃下進行10 h的退火處理，合金抗拉強度最高達約1 200 MPa，幾乎是初始粗晶粒材料強度的3倍。然而，拉伸試驗表明，退火後合金的強度增加，但塑性下降。
圖 4 300 ℃×10 h退火後的明場像與高角環形暗場（HAADF）顯微圖像
利用納米壓痕技術和超聲共振頻譜分析法都反映出退火過程中彈性模量的增加。增加的原因可能是α-Ti含量的增加，這對材料性能不利，是以，未來的研究應集中在尋找強度提高和塑性變化之間的最佳值。在熱處理工藝中，冷卻工藝對合金性能的影響也至關重要。梁書錦等發現，Ti-45Nb合金絲材退火後經充氩氣快速冷卻後有馬氏體α″相析出，屈服強度比随爐冷卻後明顯降低。樊開倫等以Ti-45Nb鉚釘為對象進行了研究，發現随着退火冷卻速度降低，Ti-45Nb合金鉚釘剪切強度呈升高趨勢。随着冷卻速度增大，钛合金中α″相的含量會增多，這會導緻钛合金硬度和彈性模量顯著降低。冷卻速度越慢，冷卻時間越長，則微觀析出相就越多，對位錯的阻礙就越強烈，對基體強度的提升貢獻越大。這是剪切強度随退火冷卻速度降低而升高的根本原因。
超塑性變形工藝被定義為制造超細晶粒材料的金屬成形工藝，通過将極高的塑性應變引入塊狀金屬而不顯著改變整體尺寸。金屬經過SPD會産生超細晶粒，使得材料具有高強度。材料的特征包括變形引起的高角度晶界和晶粒内的高位錯密度。高壓扭轉（High-pressure torsion，HPT）、靜液擠壓（Hydrostatic extrusion，HE）、軋制折疊（Rolling and folding，R&F）等是有效的SPD技術，通常需要相當小的總應變來實作所需的亞微米級晶粒尺寸。
靜液擠壓加工不會降低高強度材料的塑性，這歸因于部分大晶粒的存在，其在進一步的應變過程中仍然有能力容納塑性變形。PACHLA W等發現靜液擠壓的重複循環導緻純Ti微觀結構發生相當大的變化，可使微觀結構細化到納米尺寸。觀察到橫截面中約50 nm的等軸晶粒和縱向中位于層狀微結構中的細長晶粒，這兩個部分都顯示出具有高角度晶界和高位錯密度的晶粒。。
HPT示意圖見圖5，位于封閉模具中的圓盤被非常高的壓力壓縮，并且通過其中一個砧座的旋轉來實作塑性扭轉應變。
圖 5 HPT處理方法示意圖
以上超塑性變形工藝方法最終目的均為細化晶粒，最小可達到納米尺寸，獲得超細晶微觀結構，結合熱處理工藝能夠顯著提高Ti-45Nb合金的性能，但目前隻停留在小試樣（小于30 mm的圓盤）的試驗階段，如何能将其轉化成大尺寸的工程應用還有待進一步研究。
钛及其合金不具有良好的耐磨性，如當钛合金制成的植入物與骨骼直接接觸時，會出現磨損碎片，這些碎片會在體内造成一些重要問題。是以，改善摩擦與腐蝕性能的最好方法之一就是在合金表面沉積一層保護膜，常用的方法有實體氣相沉積（Physical vapor deposition，PVD）技術、等離子滲氮工藝、雷射輻照、陽極氧化等。
以上方法在合金表面制造抗磨損的薄膜，與一些金屬材料相比，顯示出更好的表面性能。但由于在表面形成沉積層，其熱導率、熱擴散和比熱容下降，與未經處理的合金相比，熱導率相對較低。
【應用現狀綜述】
相關研究表明，Nb元素的氧化熱低且對O2的擴散率高，在ASTM2級钛中添加Nb可顯着改善其阻燃特性。這使得Ti-45Nb合金有優良的阻燃性能，已成為許多濕法冶金高壓釜應用的首選材料，如氧氣管、蒸氣噴嘴等。商國強等發現不同規格的Ti-45Nb合金絲材在冷沖擊載荷下均未産生宏觀裂紋，表明Ti-45Nb合金具有良好的冷加工成形性能。梁書錦等通過對比航空用某型号TA1鉚釘和Ti-45Nb合金鉚釘的力學性能，發現Ti-45Nb合金相比TA1剪切強度和抗拉強度更高，且變形抗力低于TA1。Ti-45Nb合金與Ti-6Al-4V合金搭配制成雙金屬鉚釘，已在空客和波音飛機上大量應用，美國在航空航天領域已将Ti-45Nb合金緊固件替代純钛緊固件。齊振超等對Ti-45Nb鉚釘脈沖電流輔助壓鉚成形進行性能分析，發現電流輔助鉚接接頭在主剪切帶處的硬度有所下降；次剪切帶處，電流輔助鉚接組的硬度要高于常溫鉚接組的硬度；大密度電流處理時，釘帽-釘杆過渡區的硬度顯著提高。Ti-45Nb合金适合于複合材料連接配接結構的鉚接，在航空航天領域得到廣泛應用。
Ti-45Nb合金另一重要用途是作為醫用植入材料。醫用植入體用于替代骨組織或與骨組織互相作用的一個重要條件是其彈性模量要與周圍骨組織盡可能接近。純钛和Ti-6Al-4V合金作為當時具有最低彈性模量（約110 GPa）的钛合金，被廣泛應用于醫用植入材料，但與人類皮質骨（約20 GPa）相比，其硬度仍然很高。後來發現體心立方結構的β-Ti合金彈性模量是所有钛合金中最低的，其中Ti-45Nb合金彈性模量為60 GPa，為低彈性模量，已經被用于各種需要中等強度和提高延展性的醫用植入物。
從作為骨科材料的适用性的角度來看，HPT和HE被認為是最有效的SPD途徑，因為其保持了相當大的延展性和高強度。在R&F和HPT處理試樣的情況下，獲得了約4.0%的高機械相容性（顯微硬度與楊氏模量的百分比）。通過超塑性變形進行晶粒細化可以增強力學性能，進而延長骨科植入物的使用壽命，而無需改變其化學成分。結合Ti-45Nb合金優異的生物相容性，以上SPD途徑都具有很高的骨科應用潛力。
Ti-45Nb合金價格昂貴，且傳統加工難度大，限制了該合金的應用。FALLAH V等利用光纖雷射器的高度集中功率和高掃描速度，通過在低碳鋼基體上預置Ti和Nb混合粉末的雷射熔覆，沉積出具有優良硬度的無裂紋和無孔隙塗層，發現在雷射熔覆過程中，Fe對熔覆的稀釋應保持在最低水準，以避免有害中間析出相形成，并促進形成更具韌性的β固溶相，并且具有非常高的硬度。該方法涉及雷射熔覆部件，在較便宜的基材上形成Ti-45Nb薄塗層，可以使Ti-45Nb合金的優點得以實作，同時将成本降到最低，為擴充Ti-45Nb合金的應用提供了新思路。
【總結與展望】
綜述了Ti-45Nb合金的實體特性、制備工藝、性能強化工藝和應用現狀。Ti-45Nb合金目前廣泛應用于航空航天領域和生物醫學領域；但部分問題仍有待解決。
（1）Ti-45Nb合金作為低模量β-Ti合金，力學性能較差。超塑性變形工藝通過細化晶粒至納米級别，為解決Ti-45Nb合金強度低、力學性能差等問題提供了新的有效途徑，但是目前超塑性變形工藝隻停留在試驗階段，不能實作批量化工業生産和工程應用。實作晶粒細化并結合相應的熱處理制度使得合金獲得更佳穩定性能是未來重點研究方向。
（2）以往研究中發現，在退火過程中伴随着彈性模量、硬度和強度的變化，被認為可能是第二相析出的原因。确定第二相與性能之間的動态關系，是未來主要研究方向之一。
（3）含Nb钛合金具有阻燃性能和耐腐蝕性。然而，合金元素的加入往往不足以改善合金的摩擦學性能，特别是作為醫學植入材料。作為有吸引力的醫學植入材料，提高Ti-45Nb合金耐磨性能和生物相容性是未來的研究方向之一。