鈦合金因其低密度、高強度、耐腐蝕等優異的綜合性能，在海洋工程、航空航天、兵器裝備以及化工等領域得到了廣泛應用[1-3]。然而，隨著高端裝備朝著高性能、長壽命的方向發展，其對鈦合金構件的宏觀質量、微觀組織和服役性能提出了更高的要求?，F有牌號鈦合金在這些苛刻條件下仍存在一定的局限性，無法完全滿足現代高端裝備對材料的嚴苛需求。因此，亟需通過多組分合金化、成形工藝改善、熱處理工藝調整等不同的手段來優化和改善鈦合金的綜合性能。在諸多優化手段中，微合金化技術因其獨特的優勢備受關注。微合金化是通過在現有牌號鈦合金中引入微量的合金元素，在不顯著增加材料密度和成本的前提下，實現對鈦合金宏微觀組織的精確調控。
成分–組織–性能之間的關系是材料科學中的核心問題。微合金化能夠有效改善鈦合金的各項組織特征，進而直接影響材料的服役行為。通過優化合金成分，可以調控鈦合金的相變行為、晶粒尺寸和晶界特性等，精確調節α相和β相的比例、形貌和分布，從而在微觀尺度上優化材料的組織結構，最終提升其綜合性能（抗拉強度、斷裂韌性、耐腐蝕性和抗蠕變性能等）。因此，微合金化不僅可以影響組織的均勻性和穩定性，還對鈦合金在高溫、高應力等復雜工況下的性能表現產生深遠影響。此外，微合金化技術具有良好的工藝適應性，可以與成形工藝和熱處理工藝相結合，滿足高端裝備對材料性能的苛刻要求?？傮w而言，微合金化技術不僅能夠提升鈦合金的綜合性能，還為其在更廣泛、更嚴苛領域中的應用奠定了堅實基礎。
本文在介紹常用微合金元素及其添加方式的基礎上，系統地總結了典型合金化元素及其微合金化對鈦合金微觀組織結構、力學性能影響方面的最新研究進展，以期為基于合金化或微合金化方法的鈦合金性能優化提供相關技術和理論指導。
1、鈦合金及合金化元素的分類
鈦自1791年被發現至今已有200余年的歷史[4]。鈦有2種同素異構體：在低于882℃時呈現密排六方（HCP）結構，稱為α-Ti；在882℃以上則為體心立方（BCC）結構，稱為β-Ti。通過添加合金元素，可以調節鈦的相變溫度和相成分含量，從而獲得不同微觀組織的鈦合金。
根據鈦合金的相組成可以將其分為α鈦合金、近α鈦合金（β相含量小于10%）、α+β鈦合金（β相含量10%~50%）、近β鈦合金和β鈦合金（β相含量大于50%）[5-6]。不同種類的鈦合金具有各自獨特的性能表現：α鈦合金具有優異的高溫性能和良好的焊接性能，是耐熱合金的主要組成部分，但在室溫下表現出較低的強度；α+β鈦合金可以通過熱處理實現強化，綜合性能優良，但冷成形和冷加工能力較差；β鈦合金具有較高的強度，塑性加工性、熱穩定性和淬透性好[7]，但其焊接性能和腐蝕性能較差。因此，為了全面提升鈦合金的綜合性能，需要對合金添加元素進行宏觀設計和精確選擇。鈦合金中的微合金化元素主要分為α穩定元素、β穩定元素（分為同晶型和共析型）、中性元素[8]以及稀土元素[9]。圖1為不同類型合金化元素的二元鈦合金相圖。α穩定元素能夠提高β相轉變溫度，擴大α相區并增強α相的穩定性，包括Al、Ga、Ge、B及雜質元素O、N、C等[10]。同晶型β穩定元素具有與Ti相同的晶格結構和相近的原子半徑，可降低β相轉變溫度，并在β相中無限固溶，擴大β相區并增強其穩定性，常見元素包括Mo、V、Nb、Ta等[11]。共析型β穩定元素[12]同樣能夠降低β相轉變溫度，擴大β相區，但同時可能引發共析轉變，這類元素種類繁多，其共析反應速度差異顯著[13-14]。對β相轉變溫度影響較小的元素被稱為中性元素，主要包括Zr[15]、Hf、Sn等。此外，稀土元素在鈦合金中能夠顯著提高合金的強度和韌性，某些稀土元素能夠與鈦形成穩定的化合物。通過合理控制稀土元素的添加量，同樣可以實現鈦合金微觀組織的優化，從而得到更優的力學性能。
2、不同元素添加對鈦合金的影響
如上所述，雖然研究人員在經驗的基礎上定性總結了不同合金元素對鈦合金性能的影響規律，對合金設計具有一定的參考價值，但相關典型合金元素具體是如何影響鈦合金微觀組織和力學性能仍然是研究的熱點。近年來，由于鈦合金性能的優化需求以及新型制備加工技術的出現，特別是定量化描述合金化元素對鈦合金影響的需求日益迫切，采用一些新的評價與表征方法和手段，開展合金元素對鈦合金微觀組織與力學性能影響的研究工作日益增多和深入。
2.1α穩定元素對鈦合金的影響
α穩定元素能夠有效穩定鈦合金中的α相，并顯著影響其力學性能?，F有研究重點為如何通過精確調控這些元素的添加比例和熱處理工藝，以優化鈦合金的力學性能和物理特性。相關學者也探索了這些元素對鈦合金微觀組織（如晶粒尺寸和相界特性）的具體影響。
在鈦合金中加入Al元素會產生沉淀強化效應[16]，這種沉淀強化是提升金屬材料強度的關鍵手段，但是對鈦合金塑性和韌性卻有著負面影響。例如，Huang等人[17]深入研究了Al元素添加對鈦合金力學性能的影響。針對純鈦和二元Ti-6Al合金，系統探討了Al元素在強化鈦合金強度和沖擊韌性方面的作用。研究結果顯示，Al元素的加入顯著抑制了鈦合金中位錯運動和變形孿晶的形成。相比以往研究，該研究詳細分析了Al元素對鈦合金微觀結構的具體影響，包括α-Ti晶格中原子鍵合和電子結構的變化，進一步闡明了Al元素通過改變晶格結構來促進位錯成核和提高滑移阻力的機制，并探討了這一機制對材料整體性能的影響。Zhang等人[18]的研究成果突破了現有的傳統理論框架，其研究結合了分子動力學模擬與實驗表征，闡明了純鈦和Ti-Al單相固溶體合金中的{1012}孿晶界遷移機制，并揭示了Al元素對{1012}孿晶界遷移的影響。圖2為Al元素對鈦合金中孿晶位錯的影響示意圖。如圖2a所示，在Ti與Ti-Al單相固溶體合金中，{1012}孿晶界的遷移主要由孿生位錯b2的運動主導。
Al元素的添加能夠降低孿生位錯b2形核所需的臨界分切應力（CRSS），并通過產生晶格畸變的方式增加周圍Ti原子的勢能，從而促進孿生位錯b2的形核，增強孿晶界的遷移能力（圖2b）。這種獨特的脆性金屬間化合物剪切機制，不僅利用了第二相的固有強化效果，還通過位錯剪切改善了塑性，大幅提升了材料在低溫條件下的綜合性能。這一重要發現有望被廣泛應用于新型鈦合金設計中，進一步提升鈦合金的性能，以滿足不同領域的需求。
除了Al元素外，其他α穩定元素（如C、O和N等）也對鈦合金的組織性能有著重要影響。呂智丹等人[19]系統探討了近β鈦合金Ti-4Al-5Mo-8V-2.5Cr1Sn-2Zr中添加C元素對微觀組織和力學性能的影響。圖3為Ti-4Al-5Mo-8V-2.5Cr-1Sn-2Zr合金中加入不同含量C元素后的XRD譜圖和維氏硬度。由圖3a可知，添加C元素會生成TiC相。TiC相能夠釘扎晶界，抑制晶粒生長，并充當α相析出的形核點。隨著C含量的增加，α相異質形核點數量增多，α片層的取向更加隨機，形成網籃組織，同時β晶粒得到細化。如圖3b所示，隨著C元素添加量的增加，合金的顯微硬度逐步提高。與以往鈦合金中添加C元素的研究相比，該研究深入分析了C元素對近β鈦合金微觀組織和力學性能的具體影響，特別是TiC相對晶粒細化和相變行為的作用，為進一步優化鈦合金的力學性能提供了新的見解和方向。Ma等人[20]研究了微量B元素添加對鈦合金組織和性能的影響。該研究通過感應熔煉法制備了TA6.5和TA6.5-0.2B鈦合金，詳細分析了B元素添加后合金在顯微組織、織構、力學性能和斷裂行為上的顯著變化。圖4為B元素微合金化鈦合金的微觀組織與力學性能。從圖4可見，B元素的加入顯著細化了初生β晶粒和α團簇，使合金的顯微組織從魏氏組織轉變為網籃組織，并改善了組織的均勻性，同時降低了α相的織構強度。這些微觀結構的變化促進了動態再結晶行為，從而增強了合金在室溫和高溫（650℃）下的綜合力學性能。特別是TiB晶須的形成，使高溫拉伸時的斷裂模式由解理斷裂轉變為韌性斷裂。此外，B元素的添加還會影響孔洞的生成位置，為分析合金的斷裂機理提供了新的見解。這項研究不僅深入分析了微量元素對鈦合金性能的影響，還為鈦合金的應用和設計提供了重要的參考依據。
雖然雜質元素（如O、N）會顯著降低鈦合金的延展性，甚至引起脆化，但能夠提高合金的強度。近年來，國內外學者開始拓展思路，探索使用間隙原子O、N來制備具有超高比強度、低成本、高韌性的鈦合金。Zhang等人[21]通過引入間隙元素O、N設計了Ti-1800合金（Ti-4.1Al-2.5Zr-2.5Cr-6.8Mo-0.17O-0.10N）。圖5為間隙元素（O、N）強化Ti-1800合金的微觀組織與力學性能。通過析出微米級初級α、納米級次級α和超細α-Widmanst?tten納米沉淀于β基體，使Ti-1800合金的屈服強度達到1800MPa（圖5c）。在晶界工程（GBE）的作用下，納米沉淀網絡直接從β晶界（GBs）中析出，增強了晶界的內聚力，有效減緩了裂紋尖端的應力集中并阻止裂紋擴展，從而提升了合金的延展性。采用860℃固溶處理（ST-860）和500℃時效處理（STA-500）工藝，通過析出納米級α層和α板，實現了合金的進一步強化。從力學角度分析，富含α晶界的連續α穩定劑（O、N元素）的強度低于沉淀硬化的β基體，導致α晶界與轉化后的β基體之間存在強度不匹配，產生顯著的應變不相容性，從而引發晶間斷裂和裂紋分散。此研究采用了間隙溶質與晶界工程相結合的合金設計策略，不僅實現了鈦合金強度和延展性的同步提升，還增強了其對間隙雜質的耐受性，為鈦合金性能優化提供了創新性途徑。
綜上所述，α穩定元素（如Al、C、O、B、N等）通過改變鈦合金的微觀組織和相變行為，對其力學性能產生顯著影響。未來的研究應重點關注利用先進的合金設計和制造技術，進一步優化這些α穩定元素在鈦合金中的分布和狀態，以獲得更高的性能，并擴展其應用范圍。例如，激光選區熔化等3D打印技術可以在微觀尺度上精確控制元素分布，從而開發出具有定制化性能的新型鈦合金。
2.2同晶型β穩定元素對鈦合金的影響
在鈦合金的研究中，同晶型β穩定元素（如Mo、Ta、V等）通過抑制α相的析出，促進β相的形成和穩定，從而提升鈦合金的塑性和韌性。同時，這些元素還可以通過溶質原子效應和固溶強化機制，細化β相晶粒，提高合金的抗變形能力。目前的研究主要集中于不同含量的同晶型β穩定元素對鈦合金微觀組織、相變行為和力學性能的影響規律，以及這些元素在β鈦基體中的固溶度和擴散行為。Zhang等人[22]在Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）合金中添加了10%（質量分數）的Mo元素，并通過激光粉末床熔化技術（L-PBF）制備了相關合金。研究表明，Mo元素的添加實現了雙重優化效果。首先，未完全溶解的Mo顆粒在凝固過程中作為異質成核位點，促進了新晶粒的形成，而溶解的Mo溶質則創建了過冷區，從而提高了晶粒細化效率；其次，溶解的Mo溶質在固態熱循環中穩定了β相，減少了Ti-5553合金中的相異質性。這種雙功能添加物導致的微觀組織變化不僅使合金獲得了均勻的力學性能，還提高了其強度和塑性。該研究表明，通過單一元素的添加可以實現多層次的組織優化和性能提升，為未來合金設計提供了新的思路。Choisez等人[23]為克服鈦合金在延展性和斷裂韌性方面的局限性，設計了一種新型β亞穩態鈦合金Ti-12Mo，并研究了Mo元素對其力學性能和斷裂行為的影響，特別分析了相變誘導塑性（TRIP）和孿生誘導塑性（TWIP）的效應。圖6為Ti-12Mo合金的工程應力–應變曲線及其變形機制。從圖6可知，Mo元素的添加顯著提升了Ti-12Mo合金的抗損傷性能，使其在遭受損傷時依然保持良好的耐受性。該合金表現出卓越的延展性和抗塑性局部化能力，得益于TRIP和TWIP效應的協同作用，這種效應允許合金在大變形條件下仍具備較高的塑性變形能力。在準靜態加載下，Ti-12Mo合金表現出異常的斷裂現象，包括剪切帶的形成和局部熔化，進一步驗證了其在斷裂過程中發生了動態再結晶行為。TEM分析揭示了合金剪切帶中的動態再結晶現象及其斷裂機制，表明這些現象與合金的高溫行為密切相關。這一發現為優化鈦合金的高溫斷裂性能提供了新的視角，并為未來高性能鈦合金的設計提供了理論依據。
桑彪等人[24]研究了Ta元素對TA23鈦合金顯微組織及腐蝕性能的影響。圖7為不同Ta含量TA23鈦合金的XRD譜圖和極化曲線。隨著Ta含量增加到0.5%（質量分數，下同），合金中的初生α相比例增加，而次生α相含量減少，盡管未形成新相，但α相的衍射峰強度顯著增強（圖7a），同時硬度略有下降，這主要歸因于初生α相的增多。動電位極化曲線（圖7b）顯示，微量Ta元素的加入顯著改善了合金的耐腐蝕性能，提高了自腐蝕電位并降低了自腐蝕電流密度，表明Ta元素的引入有助于提升TA23鈦合金的抗腐蝕能力。
通過對比Mo、Ta等同晶型β穩定元素在鈦合金中的添加效果，可以發現這些元素均顯著改善了鈦合金的微觀結構和宏觀性能。Mo和Ta元素的添加不僅促進了細小晶粒的形成，有效抑制了粗大柱狀晶粒的生成，還顯著提升了鈦合金的力學性能。這些元素的存在不僅有助于穩定β相，還抑制了不必要的相變，如ω相和α相的形成，對于合金在高溫高壓環境下保持性能穩定性至關重要。未來的研究應進一步結合實驗和數值模擬，深入探索這些元素的添加比例和制備工藝參數對鈦合金性能的影響，尤其是它們在不同工藝條件下對顯微組織、相變行為和力學性能的綜合作用，從而優化這些元素的增強增韌效果。
2.3共析型β穩定元素對鈦合金的影響
共析型β穩定元素（如Fe、Cu、Co、Cr等）在鈦合金中的主要作用是通過形成具有特定成分和結構的共析組織來提升鈦合金的強度和耐磨性。目前的研究內容主要集中在這些元素的添加量、冷卻速率及熱處理工藝對微觀組織及其穩定性的影響，以及它們在相變過程中與基體的相互作用。此外，學者們還關注共析型β穩定元素如何通過共析反應提高合金的抗疲勞性能和斷裂韌性，這些研究為高性能鈦合金材料的開發提供了新的方向。
多年來，由于Fe元素成本低廉且具有強β穩定性，一直被視為低成本鈦合金及高強鈦合金的理想選擇之一。作為共析型β穩定元素，Fe能夠與Ti發生共析相變，生成化合物并降低β相變點[25]。Fe元素的引入會對鈦合金的微觀組織產生顯著影響。研究表明，隨著Fe含量的增加，不同鈦合金體系中的α片層晶粒細化，α/β相的比例也發生顯著變化[26]。這種變化主要歸因于Fe與Ti原子之間的屬性差異，導致晶格畸變能增加，并對位錯運動施加額外的外力。此外，Fe溶質原子容易形成柯氏氣團，從而釘扎位錯，大幅提高了合金的強度[27]。
在微量Fe元素改性的Ti-Al-V-Fe合金中，組織通常表現為典型的魏氏組織。圖8為Ti-Al-V-Fe合金的宏觀與微觀組織。如圖8所示，隨著Fe元素含量的增加，β等軸晶粒顯著細化。這一現象主要歸因于Fe元素在β晶界的富集，抑制了冷卻過程中β晶粒的長大。此外，微量Fe元素的加入還引發了β相中V、Fe元素的重新分布，導致晶格畸變和振動增加，從而增大了單相裂紋擴展的阻力。因此，Fe元素的添加不僅提高了鈦合金的斷裂韌性、硬度和延伸率，還在保持屈服強度和抗拉強度相對穩定的情況下，實現了強度與韌性的良好匹配。從熱力學角度來看，Fe是β→α固態相變過程中最強的β相穩定劑之一。Fe元素的引入增強了β相的熱力學穩定性，并將β相的穩定區域擴展至較低溫度范圍[29]。在Ti-Al-V-Fe合金中，隨著Fe元素含量的增加，α片層減少，而β片層增加。α和β片層的形貌主要受均勻化熱處理工藝控制。由于β→α固態相變具有擴散特性，Fe作為快擴散元素，通過加速元素的分配，促進了α和β片層的等軸化過程，從而進一步優化了鈦合金的微觀組織結構。總體而言，Fe元素通過對微觀組織的調控和相變行為的影響，顯著提升了鈦合金的力學性能。Fe元素在β相中的富集與擴散，不僅有效抑制了β晶粒的長大，還通過促進α和β片層的均勻化和細化，提升了合金的斷裂韌性和整體力學性能。未來研究可進一步優化Fe元素添加量和熱處理工藝，以實現更優異的強韌性匹配，助力高性能鈦合金的開發。
此外，Goettgens等人[30]通過在Ti-6Al-4V合金中引入微量Cu元素，成功改善了合金的微觀組織。在激光粉末床熔化沉積制備條件下，基體材料由亞穩態等軸β-Ti和Ti2Cu沉淀物組成。由于高熱過冷凝固條件的獨特性，形成了等軸晶及Ti2Cu沉淀物。組織中的夾雜物主要是不完全熔化的Ti-6Al-4V合金粉末顆粒，這些顆粒主要由α'/α-Ti組成，并且在β-Ti和α'/α-Ti之間的過渡區發現了納米尺寸的α''相。這些觀察結果揭示了微量Cu元素在鈦合金中的作用機制，特別是在Ti-Al-V-Cu合金中，Cu元素具有強β相穩定效應。
Cu元素的添加顯著影響了合金的微觀結構，促進了α''相的形成，并對合金性能產生了積極的影響。研究表明，Cu作為一種用途廣泛的合金元素，對Ti-6Al-4V合金的微觀組織發展具有重要影響，有助于改善其強度、延展性和整體力學性能。Co元素在Ti基高溫合金中的添加具有顯著的強化效果，尤其在提升基體強度和高溫性能方面表現突出。Co元素通過固溶強化機制，可顯著提高Ti50-Pt合金的高溫強度和形狀記憶性能[31]。Yi等人[32]研究了Co元素對Ti-V-Al合金的影響。研究發現，隨著Co元素含量的增加，合金的物相組成由α''馬氏體相逐漸轉變為β奧氏體相，同時馬氏體逆相變溫度也逐漸降低，從而穩定了β相。添加適量的Co元素不僅能夠提高鈦合金的屈服強度，還能夠增大延伸率，改善綜合力學性能。Co元素對鈦合金相變行為的影響和力學性能的綜合改善作用，為開發高性能鈦合金提供了新的思路。
此外，Zhang等人[33]提出了一種全新的化學界面工程（CBE）策略，通過引入低成本的快擴散元素Cr，成功制備出納米馬氏體Ti-xCr-4.5Zr-5.2Al合金（x=1.8、2.3、2.8，w/%）。與傳統的熱機械加工方法不同，該策略通過調控高溫下合金元素的擴散速率差異，形成高密度的化學界面（CBs），即在晶格連續區域內至少一個元素存在濃度梯度的不連續區域，如圖9所示。高溫下Cr元素與Al元素擴散失配，在每個β晶粒中形成富Al和貧Cr的納米域，這些納米域在冷卻過程中促進了馬氏體的形核?；瘜W界面的存在限制了馬氏體的快速生長，進一步細化了晶粒。該研究團隊成功制備出迄今為止尺寸最小的納米馬氏體（平均尺寸為20±6nm），且這種合金具有低成本、高比強度及優異的強塑性匹配。該研究不僅為鈦合金的微觀組織優化提供了新思路，也為高性能先進鈦合金及其他金屬結構材料的設計開辟了新路徑。
綜上所述，通過共析型β穩定元素微合金化調控鈦合金中β相的含量和穩定性，顯著擴展了鈦合金在高強度和高塑性要求下的應用范圍。共析型β穩定元素的核心作用在于降低鈦合金的相變溫度，從而促進β相的形成與穩定。例如，V、Mo元素的引入不僅增強了鈦合金的強度和韌性，還改善了其高溫性能，使鈦合金能夠在極端環境下發揮重要作用。未來的研究應進一步關注環境因素，特別是極端環境對鈦合金長期穩定性的影響。深入理解并優化這些β穩定元素在各種環境條件下的表現，將對提升鈦合金的應用性能和使用壽命起到關鍵作用。
2.4中性元素對鈦合金的影響
中性元素（如Sn、Zr、Hf等）在鈦合金中的主要作用是通過改變合金的微觀組織、細化晶粒以及調控相變行為，來優化鈦合金的力學性能和物理特性。目前的研究主要集中在這些中性元素對鈦合金晶粒尺寸、相組成、熱穩定性和力學性能的影響機制，特別是在合金的抗蠕變性、耐腐蝕性及生物相容性方面的改善作用。這些研究不僅有助于深入理解鈦合金中微觀結構與性能之間的關系，還為新型高性能鈦合金的設計與開發提供了理論支持和實驗依據。Najafizadeh等人[34]采用TiH和Sn粉末共混壓法制備了Ti-xSn（x=0、5、10、15，w/%）合金，通過光學顯微鏡和拉伸試驗分析了Sn元素添加量對鈦合金微觀結構和力學性能的影響。圖10為Ti-xSn合金的顯微組織。從圖10可知，隨著Sn含量的增加，Ti的層狀厚度從10μm減少至6.6μm。根據Hall-Petch方程，Ti的屈服強度從548.2MPa提高至801.3MPa，顯微硬度從2.285GPa增加至3.038GPa。Zr的添加能夠提高合金的耐腐蝕性能，但可能增加點蝕敏感性[35]。在Zr含量低的鈦合金中，晶粒細化有效抑制了晶內腐蝕孔的形成。然而，在Zr含量高的鈦合金中，盡管晶粒細化會導致小的腐蝕孔出現頻率增加，但通過形成更多的高價氧化物和更厚的鈍化膜，合金的耐腐蝕性得以提高，同時增強了鈍化膜的穩定性，抑制了腐蝕孔的進一步生長。
Hf元素在鈦合金中的作用也受到了廣泛關注。Yi等人[36]通過調節Hf含量，研究了其對Ti-Ta基形狀記憶合金的相組成、馬氏體相變溫度、熱循環穩定性及力學性能的影響。研究表明，當Hf含量為2%（質量分數，下同）時，合金主要由單一的α''馬氏體相組成；當Hf含量超過2%時，β相開始出現。Hf含量的增加降低了馬氏體相變溫度，并抑制了ω相的析出，提升了熱循環穩定性。具體而言，當Hf含量為6%時，合金的屈服應力出現先降后升的趨勢，并實現了4%的完全可恢復應變；而Hf含量為8%時，合金在室溫下展現出優異的超彈性行為。該研究詳細探討了Hf含量對Ti-Ta合金相組成及其綜合性能的優化效果，為合金性能的調控提供了新的視角。
2.5稀土元素對鈦合金的影響
稀土元素被譽為“工業的維生素”。近年來，稀土元素在鈦合金中的應用引起了廣泛的研究興趣。稀土元素對鈦合金的作用機制主要包括2個方面：一方面，稀土元素可以凈化鈦合金粉末中的氧，降低氧含量，從而減少間隙固溶強化[37]；另一方面，稀土元素可能在鈦合金中形成高熔點化合物，這些化合物作為異質形核點，可以抑制晶粒長大，從而改善鈦合金的力學性能[38]。稀土元素的加入方式多種多樣，包括直接加入稀土單質（如Er、Y等）、稀土中間合金（如Al-Y、Ce-Y等）或稀土氧化物（如Y2O3）。Li等人[39]通過在Ti-6Al-2.5Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb0.35Si合金中添加Er元素，使合金的晶粒尺寸細化，并形成了第二相，蠕變性能也有所改善。然而，稀土元素的添加量需要根據性能變化進行優化，過高的添加量可能會導致力學性能下降。因此，稀土元素對性能的具體影響機制仍需進一步研究。Weng等人[40-42]研究了稀土元素Sc和Y對生物醫用Ti-24Nb-38Zr-2Mo（TNZM）合金力學性能的影響。結果表明，Sc和Y元素的添加形成了固溶體，顯著提高了合金的納米硬度，并降低了楊氏模量。Sc元素的加入通過抑制磨損和提高塑性剪切性能，從而提升了合金的耐磨性。Y的添加能有效清除氧，并生成尺寸為幾微米的Y2O3顆粒，這些顆粒沿β晶界分布，能夠延緩晶界遷移并細化晶粒。此外，Y元素的加入在β晶界兩側形成了平行的α/β片層結構，而原本交叉的α/β片層結構在Y元素的作用下發生了改變。與未添加Y元素的Ti-6Al-4V合金相比，添加Y元素略微提高了合金的屈服強度和抗拉強度。然而，平行的α/β片層及Y2O3顆粒的存在導致了從解理斷裂到沿晶斷裂的轉變，從而顯著降低了伸長率。Y元素的加入生成了Y2O3和YAl2相，Y與O反應生成Y2O3，而Y與Al反應生成YAl2。當Y含量較低時，主要生成Y2O3；當Y含量升高時，YAl2的量也隨之增加。
在鈦合金增材制造中，Y2O3顆粒作為成核位點，有助于細化和均勻化組織，從而提升合金的性能。然而，為使合金獲得最佳性能，需要精確控制Y2O3的添加量。過量的Y2O3顆?？赡軐е录舛藨?，增加材料斷裂的風險。南京工業大學與南京大學、北京航空制造技術研究院探索了在激光熔化沉積（LMD）Ti6Al4V過程中添加不同含量Y2O3顆粒的效果[43]。圖11為Ti6Al4V-xY2O3合金的晶粒分布圖。研究發現，Ti6Al4V-0.1%Y2O3（質量分數，下同）合金的α相尺寸明顯減小，Y2O3作為成核位點促進了α相的等軸化轉變，顯著提高了延展性。與Ti6Al4V合金相比，Ti6Al4V-0.1%Y2O3合金的屈服強度和抗拉強度分別提高了7.75%和10.27%，延伸率從5.97%提升至11.53%。此外，Y2O3還顯著改善了材料的摩擦學性能，Ti6Al4V-0.5%Y2O3合金的耐磨性提高了3.6倍。這些研究為提升增材制造Ti6Al4V合金的力學性能提供了新的方法和數據支持。
稀土元素憑借其獨特的電子結構和化學性質，顯著改善了鈦合金的力學性能和耐腐蝕性能，對其在航空航天、生物醫療及汽車工業等高端領域應用具有重要意義。未來研究應重點探討稀土元素對鈦合金性能的影響機制，尤其是在多元合金體系中稀土元素的協同效應及其對合金相變的影響。同時，隨著計算材料科學的發展，通過第一性原理和多尺度模擬預測稀土元素對鈦合金性能的影響，將成為關鍵研究方向，這不僅有助于優化合金設計，還能有效降低實驗成本。此外，鑒于稀土資源的稀缺性和成本問題，開發微量稀土或無稀土的新型鈦合金也是未來研究的重要方向。
3、結語
系統討論了不同合金元素對鈦合金性能的影響，涵蓋了α穩定元素、β穩定元素（包括同晶型和共析型）、中性元素及稀土元素。鈦合金微合金化的強化機制可分為相變演化、晶粒細化、等軸化、納米析出相析出等，如Al、Mo、Cu、Ta這類強穩定元素通過穩定α或β相結構，抑制鈦合金中位錯運動和孿晶變形，增強了鈦合金的塑性和韌性，提高了鈦合金的抗變形能力；C、B、Fe、Sn、Zr、Hf、Mo、Y等元素通過與Ti元素生成新相、形成固溶體、促進異質形核點形核等，實現晶粒細化，進而對鈦合金的力學性能產生積極影響，提升鈦合金的可靠性和使用壽命；此外還有一些元素（如O、N）在晶界（GBs）析出納米沉淀網絡，能夠極大地提升合金的比強度。
綜上所述，通過合理設計微合金化成分及添加形式，可以顯著提升鈦合金的整體性能。未來研究應著眼于進一步優化這些元素的含量、分布及其在鈦合金中的相互作用，結合先進的合金設計理念和制造技術（如增材制造、粉末冶金等），實現對鈦合金微觀組織的精準調控，從而開發出具有定制化性能的高性能鈦合金材料。這些研究將為鈦合金在極端環境中的長期穩定服役和性能提升提供關鍵支持，進一步推動其在航空航天等領域的廣泛應用。
參考文獻References
[1] 莫畏, 鄧國珠, 羅方承. 鈦冶金[M]. 2 版. 北京: 冶金工業出版社, 2007.
[2] 張旺峰, 黃旭, 李興無, 等. 鈦合金的設計方法及其研究進展[J]. 材料導報, 2005, 19(3): 1-4.
[3] Lütjering G, Williams J C, Gysler A. Titanium Alloys: Microstructure and Mechanical Properties[M]. Berlin: Springer Press, 2009.
[4] 朱知壽, 王新南, 商國強, 等. 新型高性能鈦合金研究與應用[J]. 航空材料學報, 2016, 36(3): 6-11.
[5] Maykuth D J, Ogden H R, Jaffee R I. The Effects of Alloying Elements in Titanium: Constitution[M]. Columbus: Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, 1960.
[6] 王金友 . 論鈦合金的分類 [J]. 稀有金屬材料與工程 , 1982(1): 9-16.
[7] Lu J W, Ge P, Zhao Y Q. Recent development of effect mechanism of alloying elements in titanium alloy design[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(4): 775-779.
[8] Veiga C, Davim J P, Loureiro A J R. Properties and applications of titanium alloys: a brief review[J]. Reviews on Advanced Materials Science, 2012, 32(2): 133-148.
[9] 蔣焓鴻, 姜中濤. 稀土元素對鈦合金組織與性能的影響研究進展[J]. 粉末冶金工業, 2021, 31(5): 81-86.
[10] Bermingham M J, McDonald S D, Dargusch M S. Effect of trace lanthanum hexaboride and boron additions on microstructure, tensile properties and anisotropy of Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing[J]. Materials Science and Engineering A, 2018, 719: 1-11.
[11] Huang S X, Zhao Q Y, Wu C, et al. Effects of β-stabilizer elements on microstructure formation and mechanical properties of titanium alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 876: 160085.
[12] Zhu K L, Gui N, Jiang T, et al. The development of the low-cost titanium alloy containing Cr and Mn alloying elements[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2014, 45: 1761-1766.
[13] Wang X, Zhang L J, Ning J, et al. Fe element promotes the transformation from columnar to equiaxed grains and the formation of ultrafine microstructure of Ti-6Al-4V alloy by laser wire deposition[J]. Additive Manufacturing, 2021, 48: 102442.
[14] 朱培亮, 侯云鵬, 陳永瑞, 等. Si元素對鈦合金熱穩定性影響研究[J]. 鈦工業進展, 2024, 41(1): 1-7.
[15] Feng Z H, Jiang X J, Zhou Y K, et al. Influence of beryllium addition on the microstructural evolution and mechanical properties of Zr alloys[J]. Materials & Design, 2015, 65: 890-895.
[16] Azarbarmas M, Emamy M, Rassizadehghani J, et al. The influence of beryllium addition on the microstructure and mechanical properties of Al-15% Mg2Si in-situ metal matrix composite[J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528(28): 8205-8211.
[17] Huang S X, Zhao Q Y, Yang Z, et al. Strengthening effects of Al element on strength and impact toughness in titanium alloy[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 26: 504-516.
[18] Zhang H, Wei B Q, Ou X, et al. Enhancing { 10 12 } twin boundary migration capability in Ti-Al solid solution alloys with increasing Al content[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 147: 217-223.
[19] 呂智丹, 王志毅, 李志剛, 等. C元素添加對近β鈦合金顯 微組織及力學性能的影響[J]. 鈦工業進展, 2019, 36(5): 5-10.
[20] Ma X Z, Xiang Z L, Ma M Z, et al. Effect of trace boron addition on microstructures, textures, mechanical properties and fracture behaviors of near α titanium alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 772: 138749.
[21] Zhang H, Zhang J Y, Hou J P, et al. Making a low-cost duplex titanium alloy ultra-strong and ductile via interstitial solutes[J]. Acta Materialia, 2022, 223: 117-127. [22] Zhang J Q, Bermingham M J, Otte J, et al. Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design[J]. Science, 2024, 383(6683): 639-645.
[23] Choisez L, Ding L, Marteleur M, et al. High temperature rise dominated cracking mechanisms in ultra-ductile and tough titanium alloy[J]. Nature Communications, 2020, 11: 2110.
[24] 桑彪, 韓汶武, 李樂, 等. Ta元素對TA23合金顯微組織及 腐蝕性能的影響[J]. 鋼鐵釩鈦, 2021, 43(6): 1-8.
[25] Gao X L, Xia C Q, Zhang X Y, et al. Effects of iron content on the microstructure and corrosion behavior of Ti-30Zr-5Al-3V-xFe alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 2018, 218: 87-97.
[26] Ehtemam-Haghighi S, Liu Y, Cao G, et al. Phase transition, microstructural evolution and mechanical properties of Ti-Nb-Fe alloys induced by Fe addition[J]. Materials & Design, 2016, 97: 279-286.
[27] Sandl?bes S, Korte-Kerzel S, Raabe D. On the influence of the heat treatment on microstructure formation and mechanical properties of near-α Ti-Fe alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2019, 748: 301-312.
[28] Chen F W, Gu Y L, Xu G L, et al. Improved fracture toughness by microalloying of Fe in Ti-6Al-4V[J]. Materials & Design, 2020, 185: 108251.
[29] Bo H, Wang J, Duarte L, et al. Thermodynamic re-assessment of Fe–Ti binary system[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, 22(9): 2204-2211.
[30] Goettgens V S, Kaserer L, Braun J, et al. Microstructure of a modulated Ti-6Al-4V-Cu alloy fabricated via in situ alloying in laser powder bed fusion[J]. Materialia, 2023, 28: 101731.
[31] Tong Y, Shuitcev A, Zheng Y. Recent development of TiNi‐based shape memory alloys with high cycle stability and high transformation temperature[J]. Advanced Engineering Materials, 2020, 22(4): 1900496.
[32] Yi X Y, Sun K S, Sun B, et al. Achieving fine-grained Ti-V-Al light weight shape memory alloys with higher transformation temperature, superior performances by doping Gd[J]. Materials Characterization, 2020, 168: 110534.
[33] Zhang C L, Bao X Y, Hao M Y, et al. Hierarchical nanomartensite-engineered a low-cost ultra-strong and ductile titanium alloy[J]. Nature Communications, 2022, 13: 5966.
[34] Najafizadeh M, Bozorg M, Ghasempour-Mouziraji M, et al. The effect of adding Sn on the mechanical properties and microstructure of the titanium[J]. Materials Letters, 2023, 351: 135044.
[35] Jiang J, Zhao Y W, Wang X X. Effects of Zr addition on the deformation behavior, microstructure and mechanical properties of dental Ti alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2020, 794: 139808.
[36] Yi X Y, Sun K S, Liu JJ, et al. Tailoring the microstructure, martensitic transformation and strain recovery characteristics of Ti-Ta shape memory alloys by changing Hf content[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 83: 123-130.
[37] Wang X H, Liang Y, Zou J T, et al. Effect of rare earth Y addition on the properties and precipitation morphology of aged Cu-Cr-Ti lead frame alloy[J]. Advanced Materials Research, 2010, 97: 578-581.
[38] Grushin I A, Knyazev M I. Influence of rare earth metals on the properties of modern titanium alloys[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1396: 012019.
[39] Li B L, Wang T B, Han P, et al. Effect of rare earth Er on the microstructure and mechanical properties of high temperature titanium alloys[J]. Materials Science Forum, 2017, 898: 586-591.
[40] Weng W J, Biesiekierski A, Lin J X, et al. Impact of rare earth elements on nanohardness and nanowear properties of beta-type Ti-24Nb-38Zr-2Mo alloy for medical applications[J]. Materialia, 2020, 12: 100772.
[41] Li Q, Yang Z D, Xia C Q, et al. Effects of Y addition on microstructure and mechanical properties of Ti-25Zr alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2019, 748: 236-243.
[42] Skvortsova S, Grushin I, Umarova O, et al. Effect of rare-earth element addition on structure of heat-resistant Ti-6.5Al-4Zr-2.5Sn-2.4V-1Nb-0.5Mo-0.2Si titanium alloy[J]. MATEC Web of Conferences, 2017, 114: 02008.
[43] Han W, Min J, Dai G Q, et al. Effect of Y2O3 addition on microstructure and properties of Ti6Al4V by laser melting deposition[J]. Materials Science and Engineering A, 2023, 886: 145694.
[44] 秦成, 侯紅苗, 郭萍, 等. 鈦合金表面激光熔覆涂層及工藝研究進展[J]. 鈦工業進展, 2023, 40(4): 44-48.
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