鈦及鈦合金作為重要的輕量化結構材料，因其優異的性能被廣泛應用于航空航天、海洋工程、生物醫學等領域。例如，Ti-1023合金被應用于波音747的起落架連桿、波音757的轉軸軸承殼體、空客A320的外掛梁支持系統和空客A380的起落架等。然而，關于該體系的熱力學描述卻鮮有報道。
本文應用CALPHAD (CALculation of PHAseDiagram，計算相圖)方法建立了Ti-Al-Fe-V四元系的熱力學數據庫。同時，提出了CALPHAD和Mo當量相結合的鈦合金設計方法，并設計了三種鈦合金：α型(Ti-6Al-3.5V-1Fe)、α+β型(Ti-3Al-22.75V-6.5Fe) 和β型(Ti-4.5Al-10.5V-3Fe)鈦合金。
首先對Ti-Al-Fe、Ti-Al-V和Al-Fe-V等已有熱力學描述的子三元系進行了回顧。然后對Ti-Fe-V子三元系進行實驗數據挖掘，并對其包含的所有相建立熱力學模型，使用Pandat進行熱力學優化，最終得到Ti-Fe-V子三元系的熱力學描述。圖1是計算的Ti-Fe-V子三元系在1273K和1473K的等溫截面，可以看出計算結果與實驗數據基本相符。圖2是計算的Ti-Fe-V子三元系的液相投影面。根據目前已有的報道可知Ti-Al-Fe-V四元系中不存在四元新相，本文采用了Muggianu模型直接從四個子三元系的熱力學描述外推建立Ti-Al-Fe-V四元系的熱力學數據庫。
圖1. 計算Ti-Fe-V子三元系的等溫截面：(a)1273 K；(b) 1473 K
圖2. 計算Ti-Fe-V子三元系的液相投影面
同時，本文提出了一種CALPHAD和Mo當量相結合的鈦合金設計方法。首先通過Ti-Al相圖確定Al的含量，通過Fe-V相圖確定Fe與V的比例，再結合Mo當量確定Fe和V的含量，最終設計出三種鈦合金。圖3-5是使用Ti-Al-Fe-V四元系熱力學數據庫計算出的三種鈦合金的偽二元相圖。β相轉變溫度是鈦合金熱處理工藝制定的關鍵參數，從圖3-5可以看出CALPHAD方法的優點之一，是可以直接計算得出鈦合金的β相轉變溫度。
圖3. 計算偽二元相圖：V:Fe=3.5:1和3.0 wt% Al
圖4. 計算偽二元相圖：V:Fe=3.5:1和4.5 wt% Al
圖5. 計算偽二元相圖：V:Fe=3.5:1和6.0 wt% Al
本文應用CALPHAD方法建立了Ti-Al-Fe-V四元系熱力學數據庫。在此基礎上，提出了CALPHAD與Mo當量相結合的鈦合金設計方法。計算出V:Fe = 3.5:1和Al = 0.0、3.0、4.5和6.0 wt%的偽二元相圖。最后根據該方法設計出三種不同類型的鈦合金（α型、α+β型和β型）。所建立的熱力學數據庫和所提出的方法對Ti-Al-Fe-V系新型鈦合金的開發和研究具有一定的指導意義。
原文出自Metals 期刊
Feng, Q.; Duan, B.;Mao, L.; Jiao, L.; Chen, G.; Lu, X.; Li, C. Thermodynamic Assessment ofTi-Al-Fe-V Quaternary System Applied to Novel Titanium Alloys Designing. Metals 2022, 12, 444.https://doi.org/10.3390/met12030444
李重河,
上海大學材料科學與工程學院，研究員，上海市特種鑄造工程技術研究中心主任:
在鈦合金設計、TiAl合金定向凝固和特種耐火材料開發等領域有著多年的經驗和積累。累計得到三十多項國內外研究基金的資助，開展新材料設計、生產工藝的優化和新型化合物的合成及其性能預報等研究工作。近年來，應用理論計算和經驗設計相結合的材料設計方法，進行鈦合金、鈦合金用耐火材料、金屬間化合物、復氧化物和熔鹽體系的中間化合物等方面的研究。在材料領域權威刊物上累計發表論文100余篇，授權專利40余項。
