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钛合金因其高强度、低密度、耐腐蚀等优良性能被广泛应用于航空航天领域。为满足航空用弹性材料的需要,设计并开发具有高强度低弹性模量的钛合金成为近年来的研究热点。本文依据钛合金相关设计理论设计了 Ti-Nb-Zr-Mo-(Sn)合金,通过研究Zr、O元素对合金的作用确定了综合性能较优的合金成分Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O(wt.%),系统地研究了冷形变率和时效工艺对合金组织及性能的影响。主要研究内容及结果如下:根据d电子合金设计理论及平均价电子浓度理论设计了 Ti-Nb-Zr-Mo-(Sn)合金。其中,90%冷轧态的Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo合金具有良好的力学性能(Rm=879MPa,E=46GPa)。随后研究了 Zr、O含量对冷轧态Ti-32Nb-xZr-2.8Mo-yO合金的组织及性能的影响。结果表明,Zr、O元素的加入均使合金的晶粒细化。Ti-32Nb-xZr-2.8Mo-0.3O(x=0～6%)合金为单一 β相。随着Zr含量的增加,合金的弹性模量先降低后升高,抗拉强度及硬度变化不大。随着氧含量的增加,Ti-32Nb-(2,4)Zr-2.8Mo-yO(y=0～0.45%)合金的强度显著提高,弹性模量略有上升,塑性下降。综合力学性能较优的合金成分为Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O。Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O合金的固溶态组织为β等轴晶。经冷轧变形后,晶粒沿轧制方向被拉长。随着形变率的增加,合金的晶格常数及残余应变增加,亚晶尺寸减小。位错等缺陷密度的增加导致合金的强度及硬度增加,弹性模量及延伸率下降。合金在塑性变形过程中未发生应力诱发相变,主要的塑性变形机制为位错滑移和孪晶。经90%冷轧变形的Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O合金具有高强度及低弹性模量等优良性能(Rm=1092MPa,E=51GPa,A=12.5%)。冷轧态Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O合金在300℃～700℃时效30min,随时效温度的升高,合金的强度先增加后减小,弹性模量先减小后增加。ω相在350℃时效时开始析出,导致合金的弹性模量略有下降。当时效温度为450℃时,α相开始形核。ω相与α相的共同作用使合金的强度达到最大值。在350℃下时效0～60min,随着时效时间的延长,ω相开始析出并不断长大,导致合金的强度增加,弹性模量先减小后增加,延伸率下降。经350℃时效30min后,Ti-32Nb-4Zr-2.8Mo-0.3O合金的抗拉强度高达1118MPa,弹性模量仅为48GPa,延伸率约为13.4%,具有十分良好的综合力学性能。