钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等诸多优良性能，使其广泛应用于航空航天、生物医疗、航海、冶金、化工、能源、机械、交通等多个领域。根据退火后的组织可以将钛合金分为三类：α钛合金、α+β钛合金以及β钛合金。钼作为有效的β相稳定元素，具有体心立方晶体结构并能与β钛形成无限固溶，同时钼当量常用于作为衡量β相稳定性的重要参数。我国钼资源丰富，储量约占全球总量的38%，而且作为合金元素在提高钢铁以及镍合金的性能方面发挥了重要的作用^{[1, 2]}。在众多钛合金中，体心立方β型Ti-Mo基钛合金具有良好的耐腐蚀性、优良的时效强化性(ω相和α相)和塑性变形方式的多样性(变形诱发α″马氏体和ω相变、{332}〈113〉和{112}〈111〉孪生、位错滑移)，显示了较好的应用前景。与此同时，β型Ti-Mo基钛合金具有孪生诱发塑性变形和马氏体诱发塑性变形效应(TWIP/TRIP)、形状记忆和超弹性，以及低弹性模量、耐腐蚀、阻燃、阻尼、储氢和生物相容性等结构功能特性^[3-6]。然而，针对Ti-Mo基钛合金的研究进展还鲜见相关报道；因此，本文综述Ti-Mo基钛合金在航空航天、生物医用、海洋工程、新能源开发等领域的应用研究进展，并对其未来在不同领域向高性能和多功能发展的方向进行了展望。

1 航空航天领域

轻质高性能钛合金在飞机上的应用是衡量飞机先进性的重要指标之一，国内外针对航空用钛合金的研制取得了很大的进步。其中，β型Ti-Mo基钛合金具有密度低、强度高、韧性好、高损伤容限以及抗高温氧化等优良的综合性能匹配，从而成为先进飞机制造的主要结构材料之一。实际应用的Ti-Mo基钛合金主要有美俄开发的Beta-Ⅲ, β-21S, BT22以及中国研制的TB3, TB10等。各合金的名义成分、牌号以及部分力学性能如表 1所示^[7-14]。

美国Crucible公司于1969年研制的亚稳β钛合金Beta-Ⅲ(Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn)，在固溶处理状态下具有较好的加工成形性能，经时效处理后可以获得较高的强度与较好的塑性，主要应用于波音747飞机的铆螺钉和舱门弹簧。Timet公司在1988年开发的亚稳β钛合金β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)^[7]，具有较高的高温强度和良好的蠕变性能，麦道公司将其作为抗氧化箔材应用于钛基复合材料的基体。另外，该合金在B777飞机的整流锥、喷口和后防护罩以及A330飞机的PW-4168发动机中也有应用。前苏联在20世纪70年代研制出的BT22(Ti-5Mo-5Al-5V-1Fe-1Cr)是一种近β钛合金，具有高强韧以及焊接性能优良等特点，主要应用于制造苏-27飞机的主起落架扭力臂和前起落架左右支架，同时还被应用于固体火箭发动机部件和航天器机械承载部件^[15]。另外，在BT22合金的基础上通过合金成分的设计与调整，又研制出了Ti-5553，Ti-55531以及BT37三种航空用钛合金。其中，Ti-5553(Ti-5Mo-5Al-5V-3Cr)合金是一种高强度的近β钛合金^[8]，与Ti-1023，BT22合金相比，具有更高的强度和塑韧性匹配，目前已经应用于波音787飞机的起落架部件和飞机的骨架结构。由空客公司与俄罗斯VSMPO公司联合开发的Ti-55531(Ti-5Mo-5Al-5V-3Cr-1Zr)合金是一种应用于A380的机翼与挂架连接装置的新型钛合金，该合金具有加工性能好、淬透性高及焊接性能优良等特点, 因此比较适用于机翼/吊挂接头、起落架以及起落架/机翼接头等要求高强高韧的零部件^[9]。BT37合金是全俄轻金属研究院研制的一种β钛合金^[10]，其名义化学成分为Ti-5Mo-5Al-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，该合金在BT22合金的基础上添加了Sn和Zr，目的是为了提高合金退火状态下的力学性能和高温强度，适于制造工作温度在300~350℃的航空发动机气压机盘件和叶片。

TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al)合金是一种亚稳β钛合金^[16]，在固溶处理状态下具有优异的冷加工成形性，经时效处理后可以获得较高的强度，主要用于Y-7，J-8，J-10飞机紧固件^[11]。“九五”期间研制的亚稳型TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)合金，其高温强度和蠕变性能较好，同时具有较高的抗氧化性能等^[17]。TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)合金是一种近β型钛合金，该合金具有比强度高、断裂韧度好、淬透性高等特点，用于制造飞机机身和机翼结构中的锻造零件。近β型TB13(Ti-7.5Mo-4.8Nb-3.8Ta-3.6Zr-4Cr-2Al)合金具有良好的热处理强化能力，通过调整不同的时效制度，可以实现不同强度和塑性的匹配^[12]，是潜在的航空用结构材料。TB20合金是以“临界钼当量条件下的多元强化”为原则，设计的一种高强度亚稳β钛合金^[13]，其名义成分为Ti-5Mo-3.5Al-4V-2Cr-1Fe-2Zr-2Sn，具有强度、塑性和冲击韧度等综合优良性能。最近研发的Ti-7333(Ti-7Mo-3Cr-3Nb-3Al)近β钛合金^[14]，具有高的抗拉强度(1250~1400MPa)，良好的伸长率(8%)，同时还具有淬透性高、可锻性能好、对偏析不太敏感以及断裂韧度好等优点，适合于制造承受力较大的零部件。

对于航空领域用β型Ti-Mo合金，往往通过热机械加工处理以及后续的时效析出α相来提高其强度，而力学性能潜力远没有挖掘出来。传统的立方晶系金属的塑性变形主要以位错滑移为主导，在位错主导变形条件下可通过固溶强化、第二相弥散强化、加工强化和细晶强化来阻碍位错运动，提高材料强度。但是基于阻碍位错运动的传统强化大多(除细晶强化外)提高强度的同时降低塑性；因此，需要探索新的强韧化方法，并与传统强化方法相结合，实现β型Ti-Mo合金强韧化和性能优化。图 1(a)，(b)分别为钛合金与钢铁材料的室温抗拉强度和伸长率^[18]。可见，β钛合金(其中包括β型Ti-Mo基钛合金)的强塑积最大值为30000MPa·%，而孪生诱发塑性变形钢(TWIP钢)的最大值可以达到60000MPa·%。面心立方晶系的Fe-Mn基合金的TRIP/TWIP效应，已经引起了人们的极大关注，并对其进行了大量的研究^[19-21]。基于塑性变形中的TRIP/TWIP效应，该类合金实现了强度和塑性(韧性)的良好匹配。在体心立方晶系金属中，β钛合金在常温、低速变形条件下呈现塑性变形方式的多样化，如位错滑移、{332}〈113〉孪生变形^{[22, 23]}、α″马氏体相变诱发变形^{[24, 25]}，也具备TRIP/TWIP效应^[26-28]。β型Ti-Mo合金的β相稳定性较低时以变形诱发α″马氏体相变或{332}〈113〉孪生方式主导变形，而β相稳定性较高时则以位错滑移方式变形，其室温拉伸性能明显依赖于不同的塑性变形方式。基于孪生/马氏体相变/滑移耦合强韧化，以及和细晶强化、第二相强化(α相、ω相)等传统强韧化的叠加，实现强韧化的“相乘效果”，有望在较大范围内调控合金的强度和塑韧性；因此，深入研究β型Ti-Mo基钛合金变形机制，并与传统的强韧化手段相结合进一步挖掘合金的强韧化潜力，大幅度提高其使用性能，有助于进一步开拓其航空航天领域中的应用前景。

2 生物医用领域

作为外科植入体的生物医用材料须在长期的生理环境中具有良好的力学相容性，即具有足够的强度与韧性，同时其弹性模量应尽量与人骨组织的弹性模量(10~30GPa)接近。另外，生物医用材料还应具有良好的生物相容性，即无毒，不会使机体产生过敏、炎症以及排斥反应等。传统的外科植入物医用金属材料有不锈钢、钴合金和钛合金三类。钛合金因其强度高、密度小、生物相容性好、弹性模量低、无磁性等特性而被越来越多地应用于外科植入材料领域。Ti-6Al-4V合金在人工关节、骨创伤产品、脊柱内固定系统等方面是目前应用最广泛的生物医用金属材料，但由于V和Al元素对人体潜在的危害，使其应用受到了一定的限制^{[29, 30]}。强度和塑性匹配优良，生物相容性更好、弹性模量更低的新型β钛合金是生物医用金属材料领域中各国争相研究的重点。已经报道过的生物医用β钛合金包括Ti-Mo，Ti-Nb-Fe，Ti-Nb-Zr，Ti-Nb-Ta-Zr，Ti-Mo-Zr-Al系钛合金等^{[31, 32]}，其中，医用Ti-Mo基钛合金主要有Ti-15Mo, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-12Mo-6Zr-2Fe, Timetal-21SRx等。各合金的名义成分及力学性能如表 2所示^[33-41]。

英国IMI公司于1958年开发的Ti-15Mo合金是一种耐腐蚀钛合金，具有弹性模量低(约为78GPa)和生物相容性好等特点^[33]，主要应用于矫形植入用材料，且已经被列入美国标准ASTM F2066。日本在20世纪70年代开发的亚稳β钛合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (JIS T7401-6)，其强度高、弹性模量低、焊接性能好、耐腐蚀性好^[34]，且经时效处理后抗拉强度可达1100MPa。美国于1992年开发的Ti-12Mo-6Zr-2Fe (ASTM F1813) 合金^[35]，其弹性模量低，且强度、断裂韧度、耐磨性以及耐腐蚀等综合性能优良，应用于矫形器件。由Timet公司研制的β-21S合金发展而来的β-21SRx(Ti-15Mo-3Nb-0.2Si-0.3O)合金，具有比强度高、冷加工性好、抗氧化性和耐腐蚀性能优良等特点，同时还具有较低的弹性模量^[36]，可以作为外科手术用器具以及植入材料。

人们对Ti-Mo基钛合金的生物相容性、弹性模量以及力学性能做了大量的基础研究工作。例如，对于Ti-Mo二元系钛合金，Ho^[37]比较了Ti-7.5Mo，c.p. Ti，Ti-15Mo以及TC4合金的力学性能与耐腐蚀性，结果表明Ti-7.5Mo合金的抗拉强度高于c.p.Ti与Ti-15Mo合金，其弹性模量最低(70GPa)；Alves等^[42]的研究表明Ti-10Mo合金具有较好的耐腐蚀性；Zhou等^[38]报道了Ti-10Mo合金在淬火后具有较好的韧性；另外，Ti-(4-20) Mo合金在林格溶液和人工唾液中显示出优异的耐腐蚀性等^[43]。对于Ti-Mo三元系钛合金，Gordin等^[39]研究发现Ti-12Mo-5Ta合金与TC4合金相比，能更好地让细胞黏附以及移动，而且具有较高的维氏硬度，低的弹性模量，比较适合于骨植入材料；Zhao等^[40]的研究结果表明Ti-12Mo-5Zr合金的弹性模量为64GPa，并且耐腐蚀性优于TC4合金，可以用作整形外科植入物；Ti-Mo-Nb系合金具有较低的弹性模量、较好的生物相容性以及综合力学性能，其中包括Ti-15Mo-(5, 10) Nb^[44]，Ti-12Mo-3Nb^[41], Ti-10Mo-3Nb^[45]合金等。另外，一定成分的Ti-Mo基钛合金具有形状记忆效应而被生物医用材料的研究者广泛关注，如Kim等^[46]报道的Ti-6Mo-3Ga合金以及Maeshima等^{[47, 48]}报道的Ti-5Mo-(2-5) Ag, Ti-5Mo-(1-3) Sn以及Ti-6Mo-(4-6) Sc合金；Zhou等^[49]研究发现Ti-(8-11) Mo-4Nb-2V-3Al合金恢复应变能达到3%，也是潜在的生物医用材料。

生物医用金属材料的研究重点和难点是生物相容性与力学相容性^[50]。由于服役环境和用途不同，加之外科手术的难易程度不同，对植入物材料的生物和力学性能要求也不尽相同。如人工关节要求保证足够强度的同时弹性模量尽可能与骨组织接近，防止“应力屏蔽”现象的发生；血管支架要求保证有足够支撑力的同时必须具有优良的顺应性，即材料要有高的弹性模量；脊柱固定系统用到的连接棒要求低弹性模量以尽可能与骨组织的模量匹配，而从外科手术的角度考虑则要求适当高弹性模量，以降低手术中连接棒“反弹”现象的发生。如日本东北大学^[51]在利用变形诱发ω相调控β钛合金的弹性模量以改善连接棒反弹现象，并对此进行了尝试。良好的力学相容性要求对材料的强度、塑性与弹性模量进行综合调控和优化组合。β型Ti-Mo基钛合金的塑性变形组织(马氏体、孪晶、位错)以及相变组织(α″，ω，α)多样性的特点，为较大范围内调控其力学相容性提供了可能，加之β型Ti-Mo基钛合金良好的生物相容性，有助于进一步开拓其在生物医用领域的应用前景。

3 海洋工程及新能源领域

对于特殊工程领域中使用的结构材料，如深井和深海油气开采、海洋能、核能和地热的利用等，必须在极其严酷的服役环境下满足质量轻、承载大、寿命长、安全可靠等性能要求，这使得耐腐蚀性能和力学性能匹配良好的钛合金成为先进工程装备设计与制造的关键支撑材料之一。为了提高钛合金在苛刻服役环境下的耐腐蚀能力，特别是其抗缝隙耐腐蚀能力，往往需要在合金中添加钯(Pd)和钌(Ru)等稀少且贵重的合金元素，如表 3所示^[52-54]。另一方面，Ti-Mo基钛合金在热的浓盐酸、中等浓度硫酸和酸性盐湖卤水中具有优良的耐腐蚀性能^[55]。钼元素显著降低钛的阳极溶解倾向表现为致钝电流密度降低与阳极极化曲线的活化区缩小，阳极极化过程受阻导致合金自溶解速度的降低，从而提高了钛的稳定性^[56]。例如我国于“九五”期间研制出一种近β高强高韧TB19 (Ti-5Mo-5V-3Al-4Cr-2Zr)合金^[57]，该合金强度高、断裂韧度高、强度和塑性匹配良好，同时具有良好的焊接性能和耐应力腐蚀性以及耐海水腐蚀冲刷性，可用于制作船舶的机械部件和高压容器等。

Min等^[58-62]报道了β型Ti-Mo基钛合金在高温以及高酸高盐(373K，0.5pH，10%NaCl)的介质环境下(用于模拟海水缝隙腐蚀环境)具有良好的抗缝隙腐蚀能力。利用钼(Mo)当量参数以及电子合金设计理论参数bond order (Bo)来设计高强韧以及高抗缝隙腐蚀β型Ti-Mo基钛合金。其中Bo用来表征原子之间电子元的重叠，是原子间共价键强度的量度。通过Mo当量控制β型Ti-Mo基钛合金的相稳定性以便控制合金的变形方式，如位错滑移、{332}〈113〉孪生、α″马氏体相变；另一方面通过选择Bo值高的合金元素来提高合金的抗缝隙腐蚀能力。在设计的一系列Ti-Mo-Fe系以及Ti-Mo-Zr-Fe系合金中，如表 4所示^[58-62]，Ti-10Mo-2Fe以及Ti-15Mo-5Zr合金具有良好的力学匹配，其中Ti-15Mo-5Zr合金的力学性能和抗缝隙腐蚀性能匹配优良。另外，通过控制β型Ti-Mo基钛合金中杂质元素氧的含量，提高其力学性能的同时，并未降低合金在高温以及高酸高盐介质环境下的抗缝隙腐蚀能力^[62]；不过在通过析出α相提高合金强度的同时，其抗缝隙腐蚀能力有所降低。当然，在介质环境更恶劣的条件下，如温度更高，并含有大量CO₂以及H₂S等气氛环境下，有待于进一步加强β型Ti-Mo基钛合金的抗缝隙腐蚀以及抗应力腐蚀性能方面的基础研究工作。

在海洋工程与新能源开发领域中使用钛及钛合金，尽管开始的投资费用较高，但由于其优异的力学和耐腐蚀性能，加之质量轻和使用寿命长等特点，应用前景十分看好。基于β型Ti-Mo基钛合金具有良好的抗缝隙腐蚀能力和力学性能匹配，在某些特殊服役环境下有望取代含有Pd和Ru合金元素的钛及钛合金，开拓其在深井和深海油气开采、海洋能利用、核能和地热的利用等领域的应用前景。

4 其他领域

β型Ti-Mo基钛合金在汽车方面也具有一定的应用，如美国Timet公司开发出来的低成本LCB(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)β钛合金，具有密度低，弹性模量小，耐腐蚀性好以及较好的加工性能，同时以Fe元素代替了价格昂贵的V元素，并利用中间合金降低了合金的成本，应用于法拉利360蒙迪纳改良型赛车的弹簧^[63]。之前提到的TB20钛合金因其优异的耐腐蚀能力和较好的综合力学性能等特点，也适宜制作高强或超高强弹簧。Li等^[64]研究的Ti-9.2Mo-2Fe-2Al合金表现出较低的弹性模量，且在高温下析出细小的α相后，其抗拉强度能达到1200~1400MPa，同时伸长率可达7.5%~12.5%，有望用于汽车弹簧。

研究发现，Ti-Mo基钛合金具有较高的吸氢比以及低的氢离解平衡压^[65]。随着氢及其同位素在高技术领域应用的不断扩大，这方面的研究也逐渐受到关注^{[65, 66]}。Zhou等^[67]研究了不同Mo含量对Ti-Mo合金吸氢性的影响，并且发现当Mo含量达到7.5%(质量分数)时，吸氢性能最大。郑华等^[68]报道了Ti-10Mo合金在高温活化工艺下有较好的抗氢脆能力，并且在500℃以上能长时间保持良好的吸氢动力学性能。Ti-Mo合金作为潜在的储氢结构材料，可以用于氢气的运输、分离、提纯以及回收，也可以用来制作储氢蓄电池以及氢化物热泵等产品。Lu等^[69]报道了β型Ti-Mo基钛合金具有良好的阻尼特性，在抗振和减振领域也有一定的应用前景。尽管我国钼资源丰富，基于钼本身价格相对来说比较昂贵，Ti-Mo基钛合金在民用领域的应用还具有很大的挑战性。

5 结束语

钛及钛合金是发展航空航天、生物医用、海洋工程、新能源等战略性新兴产业的重要基础材料。围绕“中国制造2025”、“海洋强国”以及“一带一路”的国家战略需求，有必要大力推进钛合金在战略性新兴产业的应用。作为体心立方的Ti-Mo基钛合金应加速其在低成本、高性能以及多功能方向的发展。当前，β型Ti-Mo基钛合金的研究主要集中在航空航天领域以及生物医用领域，应充分利用其变形方式多样性以及时效强化性的特点，在元素功能(如杂质元素的有效利用)和组织调控(如非均匀组织或调和组织)的基础上，建立新的强韧化途径，来进一步满足航空领域对高强或超强钛合金的需求；利用Ti-Mo基钛合金变形组织和相变组织多样性的特点，调控合金的弹性模量及其力学性能，进一步满足生物医用β钛合金力学相容性的要求。Ti-Mo基钛合金具有优良的抗缝隙腐蚀性能，然而针对其面向海洋工程、新能源开发领域的基础研究还相当薄弱，有待于进一步加强。另外，基于Ti-Mo基钛合金的形状记忆、超弹性、储氢、阻燃、阻尼等诸多功能特性，需要进一步挖掘合金在其他新领域的应用。