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钛及钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特性而被广泛应用于航空航天、石油化工以及生物医学等领域,是重要的工程结构材料之一。Mo元素是钛合金成分设计以及成分调整的主要合金元素之一,是高温钛合金、高强韧钛合金以及耐蚀钛合金中最重要的合金元素之一。但目前对钛合金中Mo元素的强化效应和塑性优化行为缺乏系统深入的研究。为此,本文通过简化成分的钛合金,系统和深入地研究Mo元素对钛合金相结构组成、组织演变、β原始晶粒长大规律、强化机制以及塑性变形行为的影响机制,并选取高Mo当量钛合金Ti-1300进行组织和强化效应的验证性试验,在对Mo元素合金化一些基本问题深入研究的基础上,为新型高性能钛合金的设计和开发提供理论参考。从热力学上分析验证了Mo元素属于Ti的p同晶型稳定化元素。加工态Ti-1Mo, Ti-2Mo和Ti-4Mo合金组织由片层β相和α基体组成,Mo元素主要分布于片层β相中,随Mo元素含量的增加,片层β相逐渐在α基体长大,并按一定的晶体取向排列。Ti-15Mo和Ti-20Mo合金的组织由等轴β晶粒组成,晶粒尺寸位于50-80gmm之间。Mo元素的增加使Mo原子与位错之间的交互作用增强,从而提高了合金的显微硬度。Ti-xMo系合金晶粒长大行为的研究结果表明：固溶态Ti-1Mo和Ti-2Mo合金由等轴的α相组成,Ti-4Mo合金主要由针状六方马氏体晓α’相和原始β晶界组成；当合金Mo含量超过10%时,合金由等轴的p相组成。原始β晶粒尺寸与固溶时间呈指数关系,在固溶时间一定的条件下,原始β晶粒随固溶温度的升高而明显长大,Ti-4Mo合金晶粒长大激活能(83.50kJ/mol)由于Ti-4Mo合金较弱的溶质原子牵引效应而明显的低于Ti-20Mo合金(272.16kJ/mol),而Ti-4Mo合金生长指数(0.42)则由于组织中较低的位错密度而远远大于Ti-20Mo合金生长指数(0.26)。Ti-xMo合金的强度随Mo元素含量的增加以及合金晶粒尺寸的细化而获得改善,晶粒尺寸对合金的强化作用符合Hall-Petch关系式；Mo对钛合金的强化机制主要为固溶强化、细晶强化和相变强化。Mo元素对Ti-6Al-xMo系合金组织和性能的研究结果表明：Ti-6Al和Ti-6Al-1Mo合金的相结构由α2相和α相组成,但密排六方结构的α相由Ti-6Al中的羽状转变为Ti-6Al-1Mo合金中的粗板条状,Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的组织主要由拉长的等轴a相和保留的p相组成,但由于Mo元素的细化效应使Ti-6Al-5Mo合金中a相的晶粒尺寸远远小于Ti-6Al-5Mo合金。Mo元素的增加使α相的晶体结构参数也发生变化(α增加,c减小),Ti-6Al-5Mo和Ti-6Al-3Mo展现出优异的强度和塑性兼容性。Ti-xMo和Ti-6Al-xMo系列合金塑性变形行为的研究表明：变形后Ti-4Mo、 Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的组织由等轴的原始β晶粒和α相组成,但β晶粒内部的α相由变形前的板条状变为变形后的针状。变形后Ti-20Mo合金的晶粒由于应变集中而逐渐被拉长成纤维状,在晶粒的内部形成形变亚晶,合金的变形方式以滑移为主；Ti-20Mo的抗拉强度和延伸率分别达到1011.30MPa和20.5%, Ti-6Al-5Mo合金由于加工硬化效应而具有最高的抗拉强度(1164.10MPa),但塑性较差。Ti-4Mo、Ti-6Al-3Mo和Ti-6Al-5Mo合金的拉伸断口呈现出由撕裂脊包围着解理面的脆性断裂,为沿晶断裂模型,而Ti-20Mo合金断口的撕裂脊之间分布着大量较深的韧窝,呈现穿晶断裂的模式。Ti-1300合金形变热处理及热强化试验结果表明：经两相区高温形变后主要由等轴的p相和球状α相组成,变形量越大,合金的晶粒破碎越充分,经淬火时效或固溶时效处理后,αp相以板条状形式存在,而as相以细针状分布在p基体上；经淬火时效或固溶时效处理后Ti-1300合金的力学性能与高温形变态相比均获得显著的提高,这与小尺寸的αp相以及弥散析出αs相有关,Ti-1300合金形变热处理的强化效果主要是αa的析出强化；固溶态Ti-1300合金具有20%以上的延伸率和60%以上的断面收缩率使其具有优异的深度加工性能；两相区时效态Ti-1300合金具有高于1350MPa的强度性能,而延伸率也保持在12%以上,其组织主要由条状ap相、针状αs相以及p基体组成,αp相厚度随时效温度的升高而长大,针状αs相则弥散分布在p基体上；p单相区时效态Ti-1300合金的组织由针状as相和p基体组成,合金的强度可达1640MPa,但塑性却急剧下降,这与αs相大量析出和不均匀分布有关；Ti-1300合金最佳的热加工参数为：形变温度位于750～790℃之间的两相区,变形量保持在90%左右；最佳的热处理制度为：固溶温度位于750～800℃之间的两相区,时效温度位于500～560℃之间。