CN109778008A

CN109778008A - 一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺

Info

Publication number: CN109778008A
Application number: CN201910224879.0A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-24
Filing date: 2019-03-24
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。按照重量百分比,该合金的成分为:Si:2.0‑3.0wt.%,Sn:1.0‑1.2wt.%,Ni:0.6‑0.8wt.%,In:1.5‑1.8wt.%,Y:0.1‑0.2wt.%,Mn:1.8‑2.0wt.%,Sb:0.4‑0.6wt.%,B:0.02‑0.04wt.%,余量为钛。该材料为需要轻量化的减振场合提供了一种不同于传统钛合金的材料学解决方案，可以有效地克服目前该领域面临的技术难题。不仅可以使得通过减振避免材料疲劳破坏成为可能，也同时获得极大的社会效益和经济效益。

Description

一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

近代工业的快速发展伴随着严重的环境污染，已经在世界范围内演化为对人类的一大危害。在环境污染当中，噪音污染，水污染和大气污染已经是三个最主要的环境问题。噪音和振动是紧密相连的，从物理学的角度来看噪音就是物体做无规则振动时发出的声音。振动不仅对工业界有非常大的危害，伴随而来的噪音也严重的影响着人们的身心健康。

振动和噪音的来源是多方面的，而且频率范围非常宽广。（1）转动机械：机械本身的旋转式零部件常因为组装的损耗或者轴承的缺陷而产生异常的振动和噪音。（2）冲击：受到冲击的物体在短时间内将大量的动能转换为振动和噪音的能量，例如冲床和锻造设备。（3）共振：如果激振频率和物体固有频率重合就会产生大量的振动和噪音，例如引擎和马达。（4）流场：当高速运动的流体碰到导管中的阻碍而产生乱流等而急速改变压力会导致振动和噪音。

振动和噪音是工业领域不可避免的产物，但是可以通过振动和噪音的治理最大可能的降低带来的危害。从根本上说，可以在机械结构设计的时候就采用减振的装置，但是这将导致机械的体积过大，重量增加和成本提高。近年来，随着科学技术的快速发展，人们认识到可以利用阻尼材料来降低设备的振动和随之带来的噪音。有机类的阻尼材料是用的最多的，但是缺点也是非常明显的（不耐高温和力学性能低）。因而在工业领域，减振和降噪最优效果的方法是采用合金阻尼材料，也经常被称作减振合金。

阻尼合金是利用合金内部的能量衰减机理来对机械和装置的振动和噪音起到控制作用，从而达到减振降噪的目的。阻尼合金除了具备结构材料所需要的力学性能外，还可以在一定的条件下将振动的能量转换为热能而耗散掉。经过几十年的研究和发展，阻尼合金已经具备在复杂的环境下工作的能力，例如耐各种介质的腐蚀性和耐热性。同时，该类合金具有极其优异的热加工和冷加工能力，可以制成圆环、薄片、棒、丝等各种形状。因而，阻尼合金已经广泛应用于多种工业领域的各种机座、框架、高速箱体、各类齿轮、螺钉及垫片等部件。

目前而言，开发的阻尼合金主要有铁基，铝基，镁基和铜基阻尼合金。由于阻尼合金减振降噪效果明显，逐渐推广应用到航空航天、核工业、汽车制造和工业机械制造等领域。铝基和镁基阻尼合金属于轻金属类型，在航空航天，高铁等需要轻量的场合有极大的应用需求。但是，它们的缺点也是非常明显的。对于镁阻尼合金而言，该合金的阻尼本领高，密度低。主要缺点是强度偏低，耐腐蚀性以及压力加工性差。而对于铝基阻尼合金而言，优点是阻尼本领较大，强度高，耐磨性和耐腐蚀性都比较好。主要缺点是使用温度偏低（100度以下）。由于钛基合金具有使用温度范围宽，力学性能高，耐腐蚀性能好等优点，在近年来受到人们的广泛关注，并成功的在航空和航天领域推广。但是目前而言，基于钛基的阻尼合金品种还很少。考虑到目前工业极端工作环境的需求以及环境保护下的轻量化现状，开发并产业化钛基的阻尼合金会非常有前景，会在解决行业难题的同时获得极大的市场价值和社会价值。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。按重量百分比计,合金的组成为Si:2.0-3.0wt.%,Sn:1.0-1.2wt.%,Ni:0.6-0.8wt.%,In:1.5-1.8wt.%,Y:0.1-0.2wt.%,Mn:1.8-2.0wt.%,

Sb:0.4-0.6wt.%,B:0.02-0.04wt.%,余量为钛。

上述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，包括如下冶炼和加工步骤：将如上配比的原料在氩气保护真空自耗炉中熔炼，采用0级海绵钛且合金元素以纯金属或者中间合金的形式加入；材料经过配料和混料后用压机压制成小电极；将若干个小电极组焊在一起，放入氩气保护真空自耗炉中熔炼3次后浇铸成铸锭。将铸锭在真空炉中进行固溶处理（1020-1040度8个小时）然后水淬；将淬火后的合金锭进行真空退火处理（120-150度3个小时）后随炉冷却到室温。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）铝,镁和钛合金是三种轻金属类型的合金。目前，铝基和镁基阻尼合金已经得到相当完善的研究和发展，并在工业界得到广泛的使用。但是铝基和镁基阻尼合金除了力学性能还比较低外，并不能耐高温（使用温度低于100度）。钛合金由于使用温度可以达到500多度，且属于轻量化合金，因而在工业化快速发展的今天变得尤其重要。例如，汽轮机和发动机中的高速旋转的叶片在使用过程中的振动问题是个很重大的问题。由于振动情况复杂，必须使用阻尼的方法来使得振动进行有效衰减从而防止叶片的疲劳破坏。钛合金由于具有优异的比强度和一定的耐高温性能而成为该类材料的选择方案。但是，由于钛合金冶炼困难以及出现的时间远比铁，铝和镁合金的历史短，现有的阻尼钛合金阻尼性能并不理想。因而，本专利提出了一种具有优异阻尼性能的钛合金，且该合金具有媲美常见钛合金的力学性能。

（2）本专利申请保护的钛合金属于型钛合金。钛在常温下为hcp结构（相）,而在高温下为bcc结构（相）。添加了合金元素的钛合金可以具备在常温下同时保持两相的能力，也就是说高温的相通过合金化的作用而发生了稳定化，可以在室温下以稳定相的形式存在。该材料的形成温度为980-998度，且本专利的热处理温度固定在相区，为1020-1040度。当在该温度固溶处理后水淬到室温时，发生马氏体相变而在相基体中形成细小板条状马氏体（相）。由于这些相马氏体与相基体为共格或者半共格界面，且有固定的晶体学取向关系，在外力的作用下这些界面会发生移动，也就是马氏体数量上的增减。由于该过程耗散能量，起到了内部阻尼机制。可以预计，该类型的界面越多，合金的阻尼性能也会越大。在相区的固溶温度（1020-1040度）和淬火的冷却速度（水淬）是获得高阻尼性能的工艺基础。水淬过程的马氏体相变中，会在合金中生成大量的位错。通过在随后的回火（120-150度3个小时）过程中，由于位错密度降低而减弱马氏体和基体界面在滑动时的阻力，客观上进一步增大了材料的阻尼性能。

（3）该材料具有优异的阻尼性能，在常温下SDC为20-25%，而传统型钛合金Ti-6Al-4V的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美Ti-6Al-4V的力学性能：弹性模量为120-130GPa，屈服强度为900-1050MPa，抗拉强度为1100-1240MPa，延伸率为12-15%。该合金的密度为4.6-4.8g/cm³,马氏体形成温度（M_s）为150-160度。因而本发明的钛合金在制造使用温度为120度以下的结构件除了轻量化的优势外，会具有非常显著的减振效果。此外,该材料还具有非常优异的时效稳定性,在室温下使用5年后没有明显的阻尼性能和力学性能衰减现象。该合金冶炼加工方法简单，生产成本比较低。在保证合金的使用寿命的同时，便于工业化大规模应用。

具体实施方式

实施例1

一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。按重量百分比计，合金的组成为Si:2.0wt.%,Sn: 1.0wt.%,Ni:0.6wt.%,In:1.5wt.%,Y:0.1wt.%,Mn:1.8wt.%,Sb:0.4wt.%,B:0.02wt.%,余量为钛。上述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，包括如下冶炼和加工步骤：将如上配比的原料在氩气保护真空自耗炉中熔炼，采用0级海绵钛且合金元素以纯金属或者中间合金的形式加入；材料经过配料和混料后用压机压制成小电极；将若干个小电极组焊在一起，放入氩气保护真空自耗炉中熔炼3次后浇铸成铸锭。将铸锭在真空炉中进行固溶处理（1020-1040度8个小时）然后水淬；将淬火后的合金锭进行真空退火处理（120-150度3个小时）后随炉冷却到室温。

该材料的形成温度为985度，且在相区的固溶温度（1020度）和淬火的冷却速度（水淬）是获得高阻尼性能的工艺基础。水淬过程的马氏体相变中，会在合金中生成大量的位错。通过在随后的回火（125度3个小时）过程中，由于位错密度降低而减弱马氏体和基体界面在滑动时的阻力，客观上进一步增大了材料的阻尼性能。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下SDC为20%，而传统型钛合金Ti-6Al-4V的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美Ti-6Al-4V的力学性能：弹性模量为128GPa，屈服强度为940MPa，抗拉强度为1120MPa，延伸率为12%。该合金的密度为4.6g/cm³,马氏体形成温度（M_s）为152度。因而本发明的钛合金在制造使用温度为120度以下的结构件除了轻量化的优势外，会具有非常显著的减振效果。此外,该材料还具有非常优异的时效稳定性,在室温下使用5年后没有明显的阻尼性能和力学性能衰减现象。

实施例2

一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。按重量百分比计，合金的组成为Si:3.0wt.%,Sn: 1.2wt.%,Ni:0.8wt.%,In:1.8wt.%,Y:0.2wt.%,Mn:2.0wt.%,Sb:0.6wt.%,B:0.04wt.%,余量为钛。上述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，包括如下冶炼和加工步骤：将如上配比的原料在氩气保护真空自耗炉中熔炼，采用0级海绵钛且合金元素以纯金属或者中间合金的形式加入；材料经过配料和混料后用压机压制成小电极；将若干个小电极组焊在一起，放入氩气保护真空自耗炉中熔炼3次后浇铸成铸锭。将铸锭在真空炉中进行固溶处理（1020-1040度8个小时）然后水淬；将淬火后的合金锭进行真空退火处理（120-150度3个小时）后随炉冷却到室温。

该材料的形成温度为990度，且在相区的固溶温度（1025度）和淬火的冷却速度（水淬）是获得高阻尼性能的工艺基础。水淬过程的马氏体相变中，会在合金中生成大量的位错。通过在随后的回火（132度3个小时）过程中，由于位错密度降低而减弱马氏体和基体界面在滑动时的阻力，客观上进一步增大了材料的阻尼性能。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下SDC为24%，而传统型钛合金Ti-6Al-4V的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美Ti-6Al-4V的力学性能：弹性模量为128GPa，屈服强度为1000MPa，抗拉强度为1150MPa，延伸率为14%。该合金的密度为4.7g/cm³,马氏体形成温度（M_s）为158度。因而本发明的钛合金在制造使用温度为120度以下的结构件除了轻量化的优势外，会具有非常显著的减振效果。此外,该材料还具有非常优异的时效稳定性,在室温下使用5年后没有明显的阻尼性能和力学性能衰减现象。

实施例3

一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺。按重量百分比计，合金的组成为Si:2.5wt.%,Sn: 1.1wt.%,Ni:0.7wt.%,In:1.6wt.%,Y:0.1wt.%,Mn:1.9wt.%,Sb:0.5wt.%,B:0.03wt.%,余量为钛。上述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，包括如下冶炼和加工步骤：将如上配比的原料在氩气保护真空自耗炉中熔炼，采用0级海绵钛且合金元素以纯金属或者中间合金的形式加入；材料经过配料和混料后用压机压制成小电极；将若干个小电极组焊在一起，放入氩气保护真空自耗炉中熔炼3次后浇铸成铸锭。将铸锭在真空炉中进行固溶处理（1020-1040度8个小时）然后水淬；将淬火后的合金锭进行真空退火处理（120-150度3个小时）后随炉冷却到室温。

该材料的形成温度为992度，且在相区的固溶温度（1030度）和淬火的冷却速度（水淬）是获得高阻尼性能的工艺基础。水淬过程的马氏体相变中，会在合金中生成大量的位错。通过在随后的回火（140度3个小时）过程中，由于位错密度降低而减弱马氏体和基体界面在滑动时的阻力，客观上进一步增大了材料的阻尼性能。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下SDC为24%，而传统型钛合金Ti-6Al-4V的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美Ti-6Al-4V的力学性能：弹性模量为124GPa，屈服强度为1030MPa，抗拉强度为1200MPa，延伸率为14%。该合金的密度为4.6g/cm³,马氏体形成温度（M_s）为154度。因而本发明的钛合金在制造使用温度为120度以下的结构件除了轻量化的优势外，会具有非常显著的减振效果。此外,该材料还具有非常优异的时效稳定性,在室温下使用5年后没有明显的阻尼性能和力学性能衰减现象。

Claims

1.一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺；按照重量百分比,该合金的成分为:Si:2.0-3.0wt.%,Sn:1.0-1.2wt.%,Ni:0.6-0.8wt.%,In:1.5-1.8wt.%,Y:0.1-0.2wt.%,Mn:1.8-2.0wt.%,

Sb:0.4-0.6wt.%,B:0.02-0.04wt.%,余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料在氩气保护真空自耗炉中熔炼，采用0级海绵钛且合金元素以纯金属或者中间合金的形式加入；材料经过配料和混料后用压机压制成小电极；将若干个小电极组焊在一起，放入氩气保护真空自耗炉中熔炼3次后浇铸成铸锭。

3.根据权利要求1所述一种α+β两相型且具有高阻尼和热稳定性钛合金及工艺，其特征在于包括如下加工步骤：将铸锭在真空炉中进行固溶处理（1020-1040度8个小时）然后水淬；将淬火后的合金锭进行真空退火处理（120-150度3个小时）后随炉冷却到室温。