钛合金与其他常见结构材料相比，具有较高的比强度优势.在较高的使用温度条件下，钛合金（包括钛铝合金）的比强度特别优异，如图 1所示^[1].

图  1  几种常见材料的比强度对比

Figure  1.  Comparison of specific strength of several common materials

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钛合金所具有的高比强度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，为其在各个领域开辟了广阔的应用前景.其中在航空航天领域的应用最为广泛^{[2, 3]}.飞机和发动机的质量每降低1 kg，其使用费用可节省220~400美元.因此，为了实现轻量化目标，飞机上钛合金的用量一直呈增加趋势^[4-6].图 2所示为典型三代机和四代机的用材比例.可以看出铝合金用量显著减少，钢用量基本保持不变，而复合材料和钛合金用量显著增加.

图  2  三代机和四代机用材分布

Figure  2.  Three-generation and four-generation machine materials distribution

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钛合金在高温使用过程中，同时受到内部或外部力学载荷的长期作用，很可能导致金属零件发生蠕变，进而最终导致零件的尺寸及性能无法满足使用要求.因此，其长时间服役条件下的蠕变问题非常突出.

众多研究表明，在钛合金材料中添加稀土元素是提高其高温蠕变性能可行的方法之一.然而，并非任意的稀土元素增加均可提高钛合金的蠕变性能，如在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系合金中添加Ce后，合金的抗蠕变性能有所降低^[7].因此，有必要就稀土元素对钛合金蠕变性能的影响规律进行系统地分析研究，为合理的选择稀土元素及添加方式提供指导.

1   稀土元素在钛合金中的应用

稀土元素用于钛及钛合金中的研究始于20世纪50年代，被认为是钛合金中最具有应用前景的合金化方向之一，人们通过研究发现稀土元素对钛合金的影响较复杂，有些影响是直接的, 有的则是间接的.近年来，随着钛合金（特别是高温钛合金）的发展，稀土元素在钛合金中的应用也日益受到重视.特别是在我国，稀土资源储量丰富^[8-11]，其在钛合金中的应用研究得到重视并快速发展.

稀土元素在钛合金中的添加方法及其作用机理与其在钢、铝等材料中的情况有较大不同^[12-15]，钛合金中实现稀土添加的方法主要为真空自耗电弧炉熔炼和粉末冶金等，添加方式有稀土单质和中间合金，常见的中间合金有氢化物、硼化物、氧化物、氮化物以及稀土-铝中间合金等^[16-18].

稀土元素在钛合金中的状态与稀土元素种类、含量等多种因素有关.一般有以下3种状态：①少量稀土固溶于钛基体中；②以稀土氧化物的形式存在，如在含Nd、Ce、Er、La等的工业纯钛中分别存在Nd₂O₃、CeO₂、Er₂O₃和La₂O₃；③以金属间化合物或其他复杂化合物的形式存在.

1.1   对铸态组织的影响

在过冷液体中新相结晶时，母相中新相的均匀形核速率为：

式（1）中，K_v是比例系数，ΔG_K是形核功，ΔG_A是原子从液相转移到固相晶核上时所需激活能，其中形核功可表示为：

稀土元素作为表面活性物质，可降低比界面能σ，因而使形核功ΔG_K降低，最终提高形核速率；同时，高熔点的富稀土粒子也可能成为形核核心，这些因素均可导致稀土元素对铸态组织起到细化作用.因此，可把稀土看作是钛合金晶粒的细化剂.不同的稀土元素的细化效果各异，如La和Ce对纯钛组织的细化效果好于Y、Nd等；La、Ce和Pr对BT-5的细化效果好于Nd、Gd、Y、Er等^[19].

1.2   对加工态组织的影响

稀土元素对加工态组织的影响明显，主要原因是稀土元素会影响钛合金的再结晶及晶粒长大过程.如Er可延长纯钛再结晶所需的退火时间、降低再结晶平均晶粒度；Y可降低纯钛的再结晶速率，使晶粒长大受到抑制、提高再结晶激活能.在钛合金的再结晶过程中，较大的稀土氧化物粒子会增加再结晶形核率，较小的稀土氧化物粒子则通过更稳定的脆性结构或阻碍晶界的移动来延缓再结晶.

1.3   对力学性能的影响

合金的屈服强度可用式（3）表示：

式（3）中：σ_PN为比例常数派纳力；σ_DS为位错强化项；σ_SS为置换固溶强化项；σ_PS为弥散强化项；σ_IN为间隙固溶强化项；σ_ZS为细晶强化项.稀土一方面有固溶、形成第二相粒子、细化晶粒、增加位错等作用，可产生一定的强化作用；但另一方面会夺取固溶体中的间隙氧，从而降低间隙固溶强化作用，产生软化作用；此外，稀土还会对合金中的α/β稳定元素的分布和存在状态产生一定的影响.综上，稀土元素对钛合金强度的影响非常复杂，最终的强度取决于强化作用和软化作用的相对大小.纯钛中添加稀土元素可提高拉伸强度，其中添加Er的作用最明显，La和Ce次之，Nd最弱. Gd的添加使IMI829的室温屈服强度降低了18~47 MPa，对550 ℃条件下的拉伸强度影响不大.

2   稀土元素对钛合金蠕变性能的影响规律

研究表明，稀土元素在钛合金中细化晶粒、改善疲劳性能、提高热稳定性和高温蠕变性能等方面均可发挥重要作用，主要体现在：①内氧化形成稀土氧化物，从而降低基体的氧含量，有利于力学性能的改善；②明显抑制α₂相的析出与长大，从而提高热稳定性能；③促使细小硅化物均匀析出，从而提高抗蠕变性能^[20].以下对常用的稀土元素添加对钛合金蠕变性能的影响进行分析.

2.1   Nd的影响

添加Nd的典型代表有Ti-55（0.66 % Nd，指质量分数，下同）和Ti-60（0.85 % Nd）2种合金，2种合金对应的长期使用温度分别为550 ℃和600 ℃. Ti-55中添加稀土元素Nd的作用有：①细化合金组织；②通过内氧化作用，形成与基体非共格、弥散分布的富Nd第二相粒子，不仅降低基体氧含量，而且弥散析出的稀土氧化物粒子及粒子附近形成的位错亚结构对合金起到强化作用；③促使基体中的Sn原子向稀土氧化物转移，抑制Ti₃X相的析出^[21].这使得Ti-55合金在550 ℃下具有优异的热强性、热稳定性能和高温蠕变性能，综合性能与英国IMI829钛合金相当.用Ti-55合金制成的叶片、压气机盘等顺利通过超转、破裂、低循环疲劳和振动疲劳等测试，并成功应用于某型号航空发动机^[22].

2.2   Y的影响

钛合金中添加稀土Y的代表为Ti-600，该合金为我国自行研制了一种具有优异蠕变性能的稀土钛合金, 名义成分为Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y（指质量分数），该合金研制目标为航空用涡轮发动机等方面的应用.研究表明，Ti-600在600~650 ℃之间的蠕变条件下具有较好的蠕变性能.合金蠕变后，α₂相（Ti₃Al）和Ti₅Si₃粒子明显析出，阻碍了位错移动，强化了合金基体. Y的加入细化了组织，使初生α片层板条间距缩小，使Ti₅Si₃粒子分布均匀，提高了合金强度.另外稀土Y对基金的净化也使合金的蠕变性能有明显提高^[23].

脱祥明等^[24]在IMI829合金中添加0.2 %Y后研究发现，稀土Y细化了该合金的晶粒, 同时在合金中均有弥散的沉淀物小颗粒.合金经适当的热处理后，具有良好的室温力学性能和550 ℃高温蠕变性能.

2.3   Ce的影响

ZTC3钛合金的名义成分是Ti-5Al-2Sn-5Mo-0.3Si-0.02Ce，是一种含有稀土Ce的Ti-Al-Mo系双相钛合金，它除了传统的固溶强化外，还通过析出难熔的稳定化合物质点强化，使合金具有良好的综合性能、较高的室温强度和良好的热强性能，最终使合金在500 ℃以下具有优良的热强性能，可在500 ℃温度下长期工作.该合金已在航空发动机压气机机匣等部位进行应用，零件质量稳定，性能良好、可靠.另外支架、壳体等结构件也常选用该合金，根据结构件的工作特性要求，通常在退火或热等静压状态下使用^[25].

程晓英等^[26]在研究Ce和B对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系合金蠕变性能的影响时发现当B和Ce联合添加时，合金的蠕变断裂寿命可显著延长，并且蠕变应力越低效果越显著.

2.4   Gd的影响

钛合金中添加稀土Gd的典型代表为Ti633G，该合金是以IMI929为基础，通过添加少量Gd而研制的，名义成分为Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.2Gd.合金的主要设计目的是获得蠕变-疲劳-热稳定性的匹配，获得良好的综合性能.结果表明，添加0.2 %Gd可使IMI829合金的平均β晶粒尺寸由500 μm减小到100 μm，并可抑制高温下β晶粒的长大.稀土元素的添加可增加残余β相的分散度和提高β片中硅化物的分散度，即充分发挥硅化物的抗蠕变作用，又避免粗大硅化物粒子的脆性危害，从而既提高IMI829合金的蠕变抗力，又提高热稳定性.因抑制β晶粒长大，Ti633G又被称为“本质细晶粒”高温钛合金^[27].

另有研究表明，Gd对Ti-5331S高温钛合金的拉伸性能没有明显的影响，但却能有效地改善合金的蠕变性能；当Gd和Ox的配比适当，例如添加0.2 %Gd+0.2 % Ox时，合金可以获得优良的综合力学性能^{[28, 29]}.

2.5   其他稀土元素的影响

韩鹏等研究发现Er对近α型钛合金蠕变性能的影响规律明显，其主要作用机理包括：①以稀土氧化物的形式存在，尺寸不超过1 μm，分布于片状α相的晶内和晶界处，从而细化晶粒尺寸；②合金中的硅化物和α₂相共同阻碍位错运动，提高了合金的蠕变抗力；③稀土氧化物颗粒以钉扎位错的形式提高了合金的蠕变性能，Er含量达到0.1 %时，其效果显著^[30].

3   讨论

在钛合金（特别是高温钛合金）的研发过程中，除认识到铝当量经验公式的指导作用及近α型钛合金更优异的高温性能外，更为重要的一点即是认识到快共析元素Si对钛合金蠕变性能的有益作用^[25].现有的高温钛合金中, 几乎均含有Si元素，其主要应用就是利用Si的抗蠕变作用.

Si的添加易引起钛合金在高温条件下硅化物的大量偏聚析出，进而影响包括蠕变在内的各项高温性能.针对这一问题，除采用合适的形变热处理等方法对材料组织状态进行改善以外，另一条可能的途径即是利用稀土元素对硅化物的析出与分布进行调控^[31-36].

钪（Sc）与其他稀土元素有较大的差别，在某些物理机械性能方面甚至更接近于元素周期表上近邻的铝和钛^[37].钛钪固溶体类型为置换式连续固溶体.目前，针对微量Sc对铝合金组织性能的影响己开展较为系统的研究，研究结论可整体归纳为：微量Sc添加到铝合金中有细化组织、提高强度、提高再结晶温度等作用；其在铝合金中形成Al₃Sc相，与基体共格，产生显著的共格强化作用^{[38, 39]}.但有关Sc对钛合金组织与性能的影响研究则较少.刘会群等^[40-42]研究发现Sc可细化Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金的晶粒，提高合金屈服强度和显微硬度，进而改善其抗氧化等性能.但关于Sc对钛合金蠕变性能的影响，特别是Sc对钛合金中硅化物析出规律的影响及其抗蠕变机理等方面的研究尚较少报道.

因此，针对典型的高温钛合金材料，研究不同变形和热处理工艺条件下稀土Sc对硅化物析出过程及其分布的影响规律，并阐明其抗蠕变机理，最终提高钛合金的蠕变性能、为设计具有更加优异的高温性能钛合金材料提供基础理论支撑，是稀土改性钛合金的研究方向之一.

4   结论

1）稀土元素改善钛合金蠕变性能的主要机理有内氧化降低基体氧含量、抵制α₂相的析出与长大、促使细小硅化物均匀析出3个方面.

2）稀土Sc对钛合金中硅化物的析出及其分布有很大影响，研究含Sc钛合金的抗蠕变机理，最终提高钛合金的蠕变性能、为设计具有更加优异的高温性能钛合金材料提供基础理论支撑，是稀土改性钛合金未来研究方向之一.