【摘 要】
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钛及钛合金有着比强度高和抗腐蚀性能优异的特点,特别是在海洋大气环境下能发挥出非常出色的耐蚀性能,是一种性能优秀的优质轻质结构材料,因此为这些特点也被人们称为“海洋金属”。而随着服役环境需求的日益复杂性与多样性,提升钛合金的耐腐蚀性能的需求日益迫切。目前,Ti-Pd合金为腐蚀性能最好的一种耐蚀钛合金已经得到共识,但是由于该合金中含有稀贵金属元素“钯”,这种金属元素的来源困难导致合金的成本较高,因此研
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钛及钛合金有着比强度高和抗腐蚀性能优异的特点,特别是在海洋大气环境下能发挥出非常出色的耐蚀性能,是一种性能优秀的优质轻质结构材料,因此为这些特点也被人们称为“海洋金属”。而随着服役环境需求的日益复杂性与多样性,提升钛合金的耐腐蚀性能的需求日益迫切。目前,Ti-Pd合金为腐蚀性能最好的一种耐蚀钛合金已经得到共识,但是由于该合金中含有稀贵金属元素“钯”,这种金属元素的来源困难导致合金的成本较高,因此研究出新型低成本高耐蚀合金具有十分重要意义。Ti-0.3Mo-0.8Ni（TA10）合金不含稀贵元素,并且在还原性介质和高温氯化物中的耐蚀性能比纯钛有明显的提高,部分性能可以媲美Ti-Pd合金,但是耐蚀性能方面与Ti-Pd合金还有一定的差距。本文在TA10基础上进行成分优化希望进一步提升TA10合金的耐蚀性能,研究出耐蚀性能更优的改进型Ti-Mo-Ni-X合金。首先,本文采用第一性原理计算方法,运用基于密度泛函理论的CASTEP程序包完成计算,以Ti-0.3Mo-0.8Ni（TA10）为基体筛选出C、Al、Cu元素进行掺杂添加,分别计算出含C 0.05-0.2wt%;含Al 2-6wt%;含Cu 0.5-3wt%的三组合金耐蚀性能优异。依据添加合金元素的含量范围选取合理的成分含量梯度,设计了三组14种成分的合金,并对其进行组织观察、力学性能、耐腐蚀性能研究,优化合金成分。通过对新设计的合金进行组织结构分析,发现设计的三组共14组分合金的相组成均为α相+少量β相,合金组织均为较为典型的网篮状组织。添加C元素会使组织得到一定程度上的细化,Al的添加会使组织细化的同时规整性得到提升,Cu的添加会促进β相转变温度降低从而使析出的α相相对含量减少,使组织得到细化。Ti-Mo-Ni-Al系合金室温力学性能较高,合金中Al的添加能起到强化的作用,其硬度有明显提升;Al元素的添加有利于断裂韧性值的提高,合金具有的层片状组织也有利于断裂韧性值的提升。Ti-Mo-Ni-Al系合金在3.5wt.%NaCl溶液和5M HCl溶液当中均有很好的耐腐蚀性能,添加的Al会形成比Ti O2更稳定的Al2O3,对钛合金表面起保护作用并且随含量的提高在中性Cl-离子当中的耐腐蚀性能越好。在酸性Cl-离子环境当中其耐腐蚀性能在Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al成分点表现最好,且整体相较原始合金成分提升。结合力学性能和耐腐蚀性能,在添加的非金属元素和金属元素当中筛选出成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni-0.12C和Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al,其中成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni-2Al合金具有较好的断裂韧性和硬度,在中性Cl-离子和酸性Cl-离子环境当中耐腐蚀性能均有优异表现,为设计的16种合金成分中综合性能最优。
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