钛及钛合金作为重要的轻量化结构材料，因其优异的性能被广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学等领域。例如，Ti-1023合金被应用于波音747的起落架连杆、波音757的转轴轴承壳体、空客A320的外挂梁支持系统和空客A380的起落架等。然而，关于该体系的热力学描述却鲜有报道。

本文应用CALPHAD (CALculation of PHAseDiagram，计算相图)方法建立了Ti-Al-Fe-V四元系的热力学数据库。同时，提出了CALPHAD和Mo当量相结合的钛合金设计方法，并设计了三种钛合金：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)钛合金。

首先对Ti-Al-Fe、Ti-Al-V和Al-Fe-V等已有热力学描述的子三元系进行了回顾。然后对Ti-Fe-V子三元系进行实验数据挖掘，并对其包含的所有相建立热力学模型，使用Pandat进行热力学优化，最终得到Ti-Fe-V子三元系的热力学描述。图1是计算的Ti-Fe-V子三元系在1273K和1473K的等温截面，可以看出计算结果与实验数据基本相符。图2是计算的Ti-Fe-V子三元系的液相投影面。根据目前已有的报道可知Ti-Al-Fe-V四元系中不存在四元新相，本文采用了Muggianu模型直接从四个子三元系的热力学描述外推建立Ti-Al-Fe-V四元系的热力学数据库。

图1.计算Ti-Fe-V子三元系的等温截面：(a)1273 K；(b) 1473 K

图2.计算Ti-Fe-V子三元系的液相投影面

同时，本文提出了一种CALPHAD和Mo当量相结合的钛合金设计方法。首先通过Ti-Al相图确定Al的含量，通过Fe-V相图确定Fe与V的比例，再结合Mo当量确定Fe和V的含量，最终设计出三种钛合金。图3-5是使用Ti-Al-Fe-V四元系热力学数据库计算出的三种钛合金的伪二元相图。β相转变温度是钛合金热处理工艺制定的关键参数，从图3-5可以看出CALPHAD方法的优点之一，是可以直接计算得出钛合金的β相转变温度。

图3.计算伪二元相图：V:Fe=3.5:1和3.0 wt% Al

图4.计算伪二元相图：V:Fe=3.5:1和4.5 wt% Al

图5.计算伪二元相图：V:Fe=3.5:1和6.0 wt% Al

本文应用CALPHAD方法建立了Ti-Al-Fe-V四元系热力学数据库。在此基础上，提出了CALPHAD与Mo当量相结合的钛合金设计方法。计算出V:Fe = 3.5:1和Al = 0.0、3.0、4.5和6.0 wt%的伪二元相图。最后根据该方法设计出三种不同类型的钛合金（α型、α+β型和β型）。所建立的热力学数据库和所提出的方法对Ti-Al-Fe-V系新型钛合金的开发和研究具有一定的指导意义。

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

【摘至公众号：金属材料科学与技术】