CN102719700A

CN102719700A - 一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法

Info

Publication number: CN102719700A
Application number: CN201210180731XA
Authority: CN
Inventors: 余黎明; 秦凤明; 殷福星; 檀慧
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法,其中元素按照原子百分比为Nb 25%、O 1.5%、其余为Ti，该合金为亚稳β型高阻尼钛合金，采用粉末冶金的方法制备，采用球磨、冷压、烧结方法，通过调整粉末冶金工艺获得阻尼性能和力学性能优良的高阻尼钛合金。本发明高阻尼钛合金可以在200-350℃的温度范围内使用，具有阻尼值高和力学性能良好等优点，可以作为制备高阻尼材料的方法加以开发利用。

Description

一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法

技术领域

本发明涉及高阻尼钛合金及其制备方法，更具体地说，涉及一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法。

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精度和使用寿命。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，进一步的恶化就可能导致机身材料破坏、断裂，从而导致战斗机解体。因此，近年用于振动和噪声控制的阻尼合金颇受世界各发达国家所重视，并发展迅速。

近年，产生了一种基于Snoek弛豫机制的新型高阻尼合金——Ti-Nb系高阻尼合金。根据Snoek弛豫理论，体心立方结构（bcc）合金在外应力作用下，八面体间隙中的小半径原子（C、N和O等）会定向地向近邻八面体间隙位置运动，并在此过程中造成能量耗散。因为该扩散过程可重复发生而不破坏合金中的相结构，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更长久。

粉末冶金的烧结分为固相烧结、瞬时液相烧结、液相烧结。粉末冶金工艺作为材料制备的一种重要手段，具有材料利用率高，材料组织细小均匀可控，易实现近净成形等优点，是制造高性能、低成本钛合金的理想工艺，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约资源和能源的目的。因此，选择粉末冶金的工艺方法制备高阻尼钛合金，可显著改善高阻尼钛合金成型工艺，是高阻尼钛合金领域的一个重要突破。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金，其中金属元素按照原子百分比（即原子摩尔百分比）由25%的Nb、1.5%的O和Ti（余量）组成，按照下述步骤进行制备，最终获得亚稳β型高阻尼钛合金：

（1）原材料的称量，采用高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉按照Ti-25Nb-1.5O（at%）的配比

（2）使用球磨机对称量的原材料进行球磨混料，球料比为2：1，球磨速率为110rpm-220rpm，球磨时间为2h

（3）将球磨好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为500MPa，时间为5min

（4）将冷压好的压坯放进管式炉进行真空烧结，其烧结温度为1200℃-1250℃，烧结时间为5h

本发明的技术方案首先采用高纯的原料（分析纯在99.999%以上），采用粉末冶金的方法进行制备，将球磨好的合金粉末进行冷压成型，获得一定的结合强度，再利用固相烧结方法进行真空烧结，使得各种元素进行充分扩散，获得致密的、组织均匀的高阻尼钛合金。本发明高阻尼钛合金可以在200-350℃的温度范围内使用，具有阻尼值高和力学性能良好等优点，可以作为制备高阻尼材料的方法加以开发利用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）与熔炼方法相比，本发明采用粉末冶金方法，工艺简单，工业生产过程中比较容易实现，大大降低了生产成本；经过熔炼方法制造的合金塑性成形性能不好，难于加工成所需要的形状。采用粉末冶金的方法可以任意改变模具的形状，使合金的形状和尺寸可以任意调节，无需后续加工，就可以直接生产出所需要的零件成品。

（2）本发明采用粉末冶金方法，可获得组织均匀的β型(体心立方结构)高阻尼钛合金，如附图1中XRD谱线所示。

（3）DMA测试表明：球磨转速为110rpm和烧结温度为1200℃时的阻尼特性最为理想，在频率为1.0HZ时阻尼值Q^-1达到0.0603（见附图2（a））。

（4）综合性能良好：采用110rpm-220rpm、2h的球磨混料，500MPa、5min的冷压成型，1200℃-1250℃、5h的真空烧结制备的Ti-25Nb-1.5O高阻尼钛合金，其阻尼值达到0.04-0.06，抗压强度达到1300-1400MPa。

附图说明

图1为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金的X-ray衍射图谱，其中β相为合金主要组成相。

图2为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金在不同频率下的阻尼性能和杨氏模量曲线。

图3为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金的压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。高纯的原料选用分析纯99.999%的粉料。

实施例1

采用粉末冶金方法制备Ti-25Nb-1.5O(at%)合金。

1、原材料的称量，按照Ti-25Nb-1.5O（at%）的配比，称取高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉；

2、采用球磨机对称量的原材料进行球磨混料，球料比为2：1，球磨速率为110rpm，球磨时间为2h；

3、将球磨好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为500MPa，时间为5min。

4、将冷压好的压坯放进管式炉进行真空烧结，其烧结温度为1200℃-1250℃，烧结时间为5h。

5、试样加工：利用电火花线切割机切割合金锭获得XRD试样和20.0mm×5.0mm×1.0mm的DMA测试试样和φ6mm×10mm的压缩试样。

6、试样处理与测试：选择不同粗糙度的水砂纸，由粗到细打磨，获得符合测试要求的XRD衍射试样、阻尼试样和压缩试样。XRD实验结果见附图1(RIGAKU/DMAX2500，Japan)，阻尼性能测试在美国TA仪器公司TA-Q800型动态力学分析仪（DMA）上进行，测试条件见表1。合金的阻尼性能和杨氏模量曲线见附图2，压缩得到应力-应变曲线见图3。

第五步：将烧结好的试样进行表面处理和线切割，进行组织观察和性能测试。

表1DMA测试条件选择

测试条件

参数选择

温度范围/℃	25～400
		频率选择/Hz	0.1、1.0、10.0
振动模式	三点弯曲模式
		升温速率	5K/min

实施例2

采用粉末冶金方法制备Ti-25Nb-1.5O(at%)合金。

2、采用球磨机对称量的原材料进行球磨混料，球料比为2：1，球磨速率为220rpm，球磨时间为2h；

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金，其特征在于，其中金属元素按照原子百分比（即原子摩尔百分比）由25%的Nb、1.5%的O和余量为Ti组成，按照下述步骤进行制备，最终获得亚稳β型高阻尼钛合金：

（1）原材料的称量，采用高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉按照原子百分比的配比进行称取

（4）将冷压好的压坯放进管式炉进行真空烧结，其烧结温度为1200℃-1250℃，烧结时间为5h。

2.根据权利要求1所述的一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金，其特征在于，所述高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉为分析纯在99.999%以上的粉料。

3.一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行制备：

（1）原材料的称量，采用高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉按照原子百分比25%的Nb、1.5%的O和余量为Ti的配比进行称取

4.根据权利要求3所述的一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金的粉末冶金制备方法，其特征在于，所述高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉为分析纯在99.999%以上的粉料。