CN102409196A

CN102409196A - 一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102409196A
Application number: CN2011104004652A
Authority: CN
Inventors: 余黎明; 王志威; 殷福星
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明公开了一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金，按原子百分比计，合金化学成分为Ti：73.5％，Nb：15.0％～23.0％，Mo：2.0％～10.0％，O：1.5％。本发明高阻尼钛合金中添加了Nb、Mo两种β相稳定化元素及O原子，这种Ti-Nb-Mo-O系合金属于β相钛合金。本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金的制备方法采用真空电弧法至少反复熔炼五次，制备出合金锭后进行热处理；氧原子固溶存在于β相中；通过添加Nb、Mo元素以增强合金中β相(体心立方结构)基体的稳定性；合金的阻尼值较高、力学性能良好等。本发明高阻尼钛合金可以在200℃至300℃宽达100℃的温域范围内使用，具有阻尼值高、有效阻尼温度区间较宽和力学性能良好等特性。

Description

一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及应用于机械领域的高阻尼合金。该高阻尼钛合金依靠氧原子在β相结构中的扩散过程获得良好的阻尼特性，依赖合金化元素添加保证其力学性能。该合金可以应用在较高的温度环境中及对振动和噪声控制有严格要求的设备中，例如精密仪器仪表、飞机结构件、紧固件等。

背景技术

伴随现代工业的飞速发展，各种机械设备要求更高的使用精度和更长的使用寿命，而振动和噪声会严重影响设备的使用寿命和使用精度。例如，战斗机作为一种超高速飞行的航空器，其发动机高速运转时会产生巨大的振动能，这会加速发动机的性能恶化甚至导致其他零部件性能恶化；战斗机在超音速飞行过程中机身具有巨大的振动能，这有可能导致机身材料断裂，从而导致战斗机解体。因此，近年用于控制振动和噪声的阻尼合金为世界各发达国家所重视，并发展迅速。

β相钛合金中，氧原子在扩散的过程中会造成阻尼效应。因为该扩散过程可重复发生而不破坏合金中β相，所以这种阻尼合金具有可重复使用性，其使用寿命有望比其他类型阻尼合金大大延长。

因为钛合金中β相属于亚稳定相，所以需要添加β相稳定化元素来保证钛合金基体为稳定的β相结构。Nb、Mo元素是两种稳定化能力较高的β相稳定化元素。添加适量的Nb、Mo元素可以很好的促进β相稳定存在，这有助于提高钛合金的阻尼特性；同时合金元素的添加还可以促进合金力学性能的提高。

发明内容

针对上述现有技术，本发明基于氧原子扩散过程开发一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金，通过添加适量β相稳定化元素使合金获得良好的阻尼特性和力学性能。

为了解决上述技术问题，本发明予以实现的技术方案是：本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，按原子百分比计，合金化学成分如下：

Ti 73.5％，

Nb 15.0％～23.0％，

Mo 2.0％～10.0％，

O 1.5％。

本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的一个优选方案是，其中，Mo的原子百分比含量为3.5％-5.0％。

本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的一个优选方案是，其中，Nb的原子百分比含量为20.0％-21.5％。。

本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的制备方法，包括以下步骤：第一步：按照组分及含量要求将所有原料混合均匀后，放入高真空电弧熔炼炉进行熔炼，真空度低于10-1Pa，氩气保护；为了保证合金均匀化，重熔次数不低于五次；然后，水淬冷却至室温；第二步：在高真空热处理炉中进行固溶处理和时效处理，其中，固溶处理为在850℃下保温2h；时效处理为在500℃下保温1h；然后，随炉冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金制备方法工艺简单，容易实现工业化生产；当Mo元素的原子百分比含量为3.5％-5.0％时，合金的阻尼特性最为理想；添加Nb、Mo元素之后，具有良好的力学性能，本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金杨氏模量达到120GPa左右。经过在TA-Q800型动态力学分析仪(DMA)上进行测试，本发明合金中Nb原子百分比含量为20.0％-21.5％，Mo原子百分比含量为3.5％-5.0％时，合金具有最佳的综合性能。

本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金属于β相钛合金，阻尼特性源于氧原子在β相基体中的扩散过程。在该过程中，影响阻尼特性的关键因素包括：(1)β相基体的体积分数，增大β相所占比例有利于氧原子扩散；(2)氧原子个数，氧原子个数较多时参与扩散过程的氧原子数目也会增多；(3)体心立方晶格的晶格常数，晶格常数变小时会增加氧原子扩散难度。本发明通过添加适量的Nb、Mo元素既可以增强β相稳定性也不会导致晶格常数大幅变小，因此，本发明的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金既可以获得良好的阻尼特性，又能保证良好的力学性能。

综上，本发明以氧原子扩散过程为依据，用真空电弧熔炼制备出Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金。通过添加适量Nb、Mo元素，并经过高真空热处理，有效增强了钛合金β相稳定性，从而获得了良好的阻尼特性和力学性能。

附图说明

图1是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金X-ray衍射图谱；

其中：(a)的合金化学成份为73.5at.％Ti-23.0at.％Nb-2.0 at.％Mo-1.5at.％O；

(b)的合金化学成份为73.5at.％Ti-21.5at.％Nb-3.5.at.％Mo-1.5at.％O；

(c)的合金化学成份为73.5at.％Ti-20.0at.％Nb-5.0.at.％Mo-1.5at.％O；

(d)的合金化学成份为73.5at.％Ti-18.5at.％Nb-6.5.at.％Mo-1.5at.％O。

图2是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金在1.0Hz时的阻尼曲线。

图3是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金在1.0Hz时的杨氏模量。

具体实施方式

为了提供良好的阻尼特性和力学性能，本发明采取了以下措施：

(1)Nb、Mo是β相稳定化元素，Nb、Mo元素添加可以明显提高钛合金中β相稳定性，抑制α相及马氏体相产生，从而确保氧原子扩散过程可以实现。

(2)严格控制Mo元素含量——不低于2.0at.％，不超过10.0at.％(原文中是8.0at.％，但权利要求中是10.0at.％)，Mo元素含量过低时，β相稳定化效果较小，对合金相组成没有明显影响；Mo元素含量较高时，由于Mo元素原子半径远小于Ti、Nb元素原子半径，过多的Mo会导致晶格常数变小，氧原子扩散过程受阻。

(3)采用合适的热处理工艺，由于合金是在熔炼阶段经过多次重熔，能够保证合金成分基本均匀，因此，只进行固溶处理和时效处理，无需再进行均匀化处理，这样可以避免合金在均匀化处理(＞1050℃)时晶粒严重长大。

以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

选取高纯度原料：纯Ti块(99.99wt.％)、纯Nb丝(99.99wt.％)、纯Mo丝(99.99wt.％)及TiO₂粉末(99.99wt.％)。

原材料处理：按照HF∶HNO₃∶HO₂＝1∶2∶47来配制酸洗液，对块状和丝状的各种纯原料进行酸洗处理，去除表面氧化皮，并用超声波进行清洗；把粉末状TiO₂压成薄片。

按照表1所述合金成份配料。

表1Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金主要成分(原子百分比，at.％)

合金冶炼：将原材料放入高真空电弧率的铜坩埚中进行熔炼，反复熔炼5-6次；随后水淬冷却至室温。

合金热处理：将熔炼所得合金锭放入高真空热处理炉中，固溶处理采取在850℃下保温2h，时效处理采取在500℃下保温2h，随后炉冷至室温。

对试样进行测试：

试样加工，利用电火花线切割机切割合金锭获得XRD试样和30.0mm×5.0mm×1.0mm的阻尼试样。

试样处理，选择不同目数的水砂纸，由粗到细打磨，获得符合测试要求的阻尼试样和XRD衍射试样。

阻尼性能测试在TA-Q800型动态力学分析仪(DMA)上进行，测试条件如下表2：

表2DMA测试条件选择

通过图2可以看出添加Mo含量为3.5at.％、5.0at.％时阻尼特性最为理想。通过图3可以看出添加3.5at.％-10.0at.％Mo元素时，合金杨氏模量在120GPa左右。综合考虑：Nb含量为20.0at.％-21.5at.％，Mo为3.5at.％-5.0at.％时，合金具有最佳综合性能。

本发明选取了高纯度Ti、Nb、Mo、TiO₂为原材料。利用高真空电弧炉熔炼合金，并对合金做热处理，热处理包括采取850℃下保温2h的固溶处理，氧原子较好的固溶进β相中；Nb、Mo元素充分溶解，有效地促进合金中β相稳定性。采取500℃下保温1h的时效处理，可以充分释放合金内应力，使合金自由能处于最低水平。比较图1中的(a)(b)(c)(d)可得，热处理后，可以发现合金产生了少量氧化物及其他物相，这些物相的存在对合金的阻尼特性不利，但是可以提高合金的力学性能，如图1中的(a)所示。伴随Mo含量升高和Nb含量降低，Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的阻尼值呈下降趋势，但是阻尼峰温和杨氏模量呈上升趋势。Mo含量为3.5at.％-5.0at.％时，见图1中的(b)和(c)及图2，在0.1Hz、1.0Hz、10.0Hz三个频率下表征合金阻尼性能的相位差角正切值Tanδ均大于0.01；如图3所示，杨氏模量达到了120GPa左右，如图3。综合以上考虑，添加Nb、Mo元素可以使合金获得良好的阻尼特性和力学性能。

实施例测试结果表明，本发明以氧原子扩散过程为依据，用真空电弧熔炼制备出Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金。通过添加适量Nb、Mo元素，并经过高真空热处理，有效增强了钛合金β相稳定性，获得了良好的阻尼特性和力学性能。

本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金可以在200℃至300℃宽达100℃的温域范围内使用，具有阻尼值高(表征合金阻尼性能的相位差角正切值Tanδ＞O.01，如图2所示)、有效阻尼温度区间较宽和力学性能良好等特性。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计，合金化学成分如下：

Ti 73.5％，

Nb 15.0％～23.0％，

Mo 2.0％～10.0％，

O 1.5％。

2.根据权利要求1所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计，Mo的含量为3.5％-5.0％。

3.根据权利要求1所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计，Nb的含量为20.0％-21.5％。

4.根据权利要求1至3中任一所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照组分及含量要求将所有原料混合均匀后，放入高真空电弧熔炼炉进行熔炼，真空度低于10-1Pa，氩气保护；为了保证合金均匀化，重熔次数不低于五次；然后，水淬冷却至室温；

第二步：在高真空热处理炉中进行固溶处理和时效处理，其中，固溶处理为在850℃下保温2h；时效处理为在500℃下保温1h；然后，随炉冷却至室温。