β钛合金的发展及现状

Detiny

β钛合金最早由Jaffee于20世纪50年代在美国提出，之后开始大量开发应用于飞机的各种结构部件。其中美国REM Cru Titanium公司在50年代研制出世界上第一种商用亚稳β合金Ti-13V-11Cr-3Al，具有高强度和高淬透性，在洛克希德公司的SR-71“黑鸟”飞机上曾有着广泛应用。

50年代末，前苏联开发出其第一个亚稳定β钛合金BT15（Ti-3Al-7Mo-11Cr），后来于70年代开发出BT22（Ti-3Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr），经过固溶时效处理后合金强度接近1300 MPa，且兼备良好的淬透性。

60年代，北京有色金属研究总院研制出Ti-5583(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)合金，后被列入国家牌号为TB2。70年代，我国研制出TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）和TB4（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr），其经过固溶处理后具有优良的冷成形性能，经过时效处理后具有良好的强度和塑性匹配。在同年代，美国在Ti-13V-11Cr-3Al的基础上开发了βc（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）、Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al）和Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al）等新型β钛合金，降低了Cr的含量以避免加工脆断，具有高断裂韧性和抗裂纹扩展性能，在B-1B轰炸机和波音777的零件中都具有广泛应用。

80年代，我国陆续研发出TB5（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al）和TB6（Ti-10V-2Fe-3Al）等高强度钛合金，在航空航天领域已取得了广泛应用。90年代末，俄罗斯在BT22基础上研发了Ti-5553（Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe）与Ti-55531（Ti-5Al-5V-5Mo- 3Cr-1Zr），其力学性能较Ti-1023优越，作为锻件用于波音787的起落架和空客A380的机翼。

进入21世纪，我国对亚稳定β型钛合金的研究集中在更高强度、更高冲击韧性方面，研制出了Ti-19（Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr）和Ti-20（Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-2Zr-2Sn-1Fe）等高强高冲击韧性合金。

由于β钛合金具有生物相容性且耐腐蚀性好，弹性模量低等优点，其在生物医用领域也应用广泛。早期的骨科植入物主要是Ti-6Al-4V合金，但是Al和V元素含有毒性，V元素的溶解会对哺乳动物产生不利的生殖和发育影响，Al元素可能会导致神经性疾病如阿尔茨海默病等。为了消除潜在的有毒元素，减少植入体与骨质之间的模量不匹配，并改善钛植入体的磨损特性，用于骨科植入体的亚稳钛合金逐渐发展起来。在许多β相稳定元素中，Nb、Ta、Zr、Mo和Sn具有良好的生物相容性、低毒性和更好的耐腐蚀性。

目前用于骨科植入物的亚稳β和近β钛合金包括Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-5Ta-7Zr和Ti-15Mo合金。最近，一些新的实验亚稳钛合金已经被开发出来，包括Ti-35Nb-7Zr-6Ta-(0-2)Fe-(0-1)Si、Ti-8Mo-(4-6)Nb-(2-5)Zr、Ti-33Nb-4Sn。此外，许多研究者也在研究Ti-Mn二元合金，以降低昂贵的Nb和Ta合金元素的成本。