CN109852844A

CN109852844A - 一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金

Info

Publication number: CN109852844A
Application number: CN201910258470.0A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明公开了一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。按照重量百分比,该合金的成分为:Si:1.0‑1.5wt.%,Sb:0.5‑0.8wt.%,Mg:3.0‑4.0wt.%,Sn:2.5‑2.8wt.%,Ta:1.0‑1.8wt.%,Mo:0.2‑0.4wt.%,V:1.5‑2.0wt.%,C: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

一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金

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

工业振动和噪音带来的噪音污染已经成为对人类的一大危害，并与水污染，大气污染一起被看做世界范围内的三个主要环境问题。振动和噪音的来源很多，最主要的类型是:(1)机械本身或者一部分零件的旋转因组装的损耗和轴承的缺陷而带来的异常振动和噪音;(2)物体受到冲击时在短时间内大量的动能转换为振动和噪音;(3)由于物体固有频率与外加振动的频率有重合导致的共振;(4)高速运动的流体遇到障碍物而产生的乱流会导致振动和噪音。

机械结构中的振动会引起严重的宽频带随机振动和噪音环境，还会激发结构和电子控制仪器的共振峰。因而，使得机械结构出现疲劳失效和动态失稳定，严重的时的时候会使得电子控制仪器精度降低到发生故障。在航空航天领域，火箭的地面飞行和飞机实验故障的三分之一与振动有关。此外，由地震造成的振动引起的危害更是众所周知。噪音会给人带来生理上和心理上的危害，主要是损害听力，降低心血管功能和影响人的神经系统。振动和噪音引起的有害作用是非常明显的，因而在现代工业和交通运输业必须在根本上从技术，经济和效果等方面加以综合权衡和解决。

所有由振动和噪音引起的危害都可以通过降低材料或者结构的振幅来进行解决，也就是减少振动是降低噪音的根本措施。从根本上说来，结构材料的阻尼性能不佳是造成振动带来严重危害的重要原因。阻尼材料是将固体机械振动能转变为热能而耗散的材料，主要用于振动和噪声控制。为了提高结构的阻尼性能，可以将结构材料和阻尼材料同时用在结构设计中，即用结构材料承受应力和阻尼材料产生阻尼作用。结构材料和阻尼材料的联合作用可以使得整个机械结构产生优异的阻尼作用，因而达到控制振动和降低噪音的目标。

阻尼材料中最重要的两种类型是有机阻尼材料和合金阻尼材料。有机阻尼材料由于力学性能低和不耐高温等缺点而不能作为结构件来进行设计。阻尼合金具有优良的机械性能和阻尼减振性能，可以在机械设计的时候直接用于结构减振设计而不用附加其它的减振措施。阻尼合金具有多个品种，且不同品种的阻尼合金有着不同的力学性能和阻尼性能。目前应用的比较多的是锰基和铜基的阻尼合金，但是它们是有色金属且加工工艺繁琐。基于铝基，镁基和钛基的阻尼合金由于具备多种优异的物理性能，力学性能和阻尼性能逐步开始占据主导地位。可以预计，在未来的工业化快速发展过程中，阻尼合金将在减振，降噪和电磁屏蔽等一些高技术领域获得更加广阔的应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。按重量百分比计,合金的组成为Si:1.0-1.5wt.%,Sb:0.5-0.8wt.%,Mg:3.0-4.0wt.%,Sn:2.5-2.8wt.%,Ta:1.0-1.8wt.%,Mo:0.2-0.4wt.%,V:1.5-2.0wt.%,C:0.02-0.04wt.%,余量为钛。

上述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，包括如下冶炼步骤和加工步骤：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（1050-1080度8个小时）然后进行水淬;在真空炉中进行去应力退火,温度为300度,时间1小时，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）汽轮机叶片和喷气发动机风扇叶片的工作环境极为苛刻,在工作过程中要除了要经受外力的作用,还有面临振动引起的疲劳问题。钢和镍合金可以满足需要的力学性能，并能表现出一定程度的阻尼性能。但是因为密度过大而不适合用来制作旋转叶片。目前使用的钛合金，特别是占总使用量50%以上的Ti-6Al-4V合金，普遍存在阻尼性能达不到镍合金的水平。因而钛合金即使具备轻量化和高比强度的特性，也会由于阻尼性能低而不能在叶片领域得到广泛的使用。因而，本专利提供了一种基于单相（相）的钛合金及其加工工艺，且该材料具有优异的力学性能和阻尼性能。

（2）本专利申请保护钛合金属于相钛合金。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使得相发生稳定化而在室温稳定存在。因而，常见的钛合金分为三类：相钛合金，相钛合金和相钛合金。本专利提供的钛合金，通过合金化的办法使得合金结构中只有相。具有该结构的钛合金具有极其优异的耐腐蚀能力和变形能力，且在引入了间隙原子后还能体现出间隙原子-位错交互作用引入的阻尼机制。此外，该种类型结构的组织具有优异的高温稳定性，是发展钛基高温合金的基础。

（3）本专利申请保护的相钛合金在室温下具有单相结构,但是在升高温度一直到熔化状态时,也要经过两相区, 单相区,直到纯液态。该材料的形成温度为950-980度。该材料固溶温度的选择在单相区1050-1080度，且在随后的水淬过程中相由于马氏体相变而形成马氏体。由于马氏体相变过程中伴随着大量的位错和孪晶的生成，因而位错-间隙原子的交互作用以及孪晶的界面运动构成了该类材料的阻尼机制。在材料受力变形的过程中，位错滑移和间隙原子也发生扩散而随着位错改变位置构成了位错-间隙原子的振动能量耗散机制，同样孪晶界面的滑动也同样耗散了振动的能量。可以预计位错和孪晶的数量越多，阻尼的性能越优越。因而，在相区间的固溶温度（1050-1080度）和随后的水淬是获得高阻尼性能的工艺基础。在300度回火3个小时的过程中，尽管位错密度降低，但是间隙原子可以有效的偏聚在位错周围，为阻尼耗散能量提供结构基础。

（4）该材料具有优异的阻尼性能，在常温下的SDC为15-20%，而传统材料相钛合金的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美传统相钛合金的力学性能：弹性模量为100-120GPa，屈服强度为900-1000MPa，抗拉强度为1000-1100MPa，延伸率为12-14%。该材料由于是位错-间隙原子和孪晶阻尼机制，因而该材料即使在较高的温度区间工作（200-300度），也不会发生像马氏体阻尼机制因为温度高于马氏体生成温度而导致减振性能缺失的现象。此外，该合金由于是单相钛合金，因而在使用过程中也不会有亚稳相析出。在300度以下的使用环境中，不仅具有突出的力学性能稳定性，微观组织也能在服役过程中保持不变的特性。这在服役条件越来越苛刻和多变的今天具有非常有用的实际意义。

具体实施方式

实施例1

一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Si:1.0wt.%,Sb:0.5wt.%,Mg:3.0wt.%,Sn:2.5wt.%,Ta:1.0wt.%,Mo:0.2wt.%,V:1.5wt.%,C:0.02wt.%,余量为钛。上述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，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（1050-1080度8个小时）然后进行水淬;在真空炉中进行去应力退火,温度为300度,时间1小时，随炉冷却到室温。

该材料在相区间的固溶温度（1050-1080度）和随后的水淬是获得高阻尼性能的工艺基础。在300度回火3个小时的过程中，尽管位错密度降低，但是间隙原子可以有效的偏聚在位错周围，为阻尼耗散能量提供结构基础。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下的SDC为18%，而传统材料相钛合金的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美传统相钛合金的力学性能：弹性模量为105GPa，屈服强度为940MPa，抗拉强度为1020MPa，延伸率为12%。该材料由于是位错-间隙原子和孪晶阻尼机制，因而该材料即使在较高的温度区间工作（200-300度），也不会发生像马氏体阻尼机制因为温度高于马氏体生成温度而导致减振性能缺失的现象。此外，该合金由于是单相钛合金，因而在使用过程中也不会有亚稳相析出。在300度以下的使用环境中，不仅具有突出的力学性能稳定性，微观组织也能在服役过程中保持不变的特性。

实施例2

一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Si:1.5wt.%,Sb:0.8wt.%,Mg:4.0wt.%,Sn:2.8wt.%,Ta:1.8wt.%,Mo:0.4wt.%,V:2.0wt.%,C:0.04wt.%,余量为钛。上述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，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（1050-1080度8个小时）然后进行水淬;在真空炉中进行去应力退火,温度为300度,时间1小时，随炉冷却到室温。

该材料在相区间的固溶温度（1050-1080度）和随后的水淬是获得高阻尼性能的工艺基础。在300度回火3个小时的过程中，尽管位错密度降低，但是间隙原子可以有效的偏聚在位错周围，为阻尼耗散能量提供结构基础。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下的SDC为15%，而传统材料相钛合金的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美传统相钛合金的力学性能：弹性模量为110GPa，屈服强度为980MPa，抗拉强度为1050MPa，延伸率为12%。该材料由于是位错-间隙原子和孪晶阻尼机制，因而该材料即使在较高的温度区间工作（200-300度），也不会发生像马氏体阻尼机制因为温度高于马氏体生成温度而导致减振性能缺失的现象。此外，该合金由于是单相钛合金，因而在使用过程中也不会有亚稳相析出。在300度以下的使用环境中，不仅具有突出的力学性能稳定性，微观组织也能在服役过程中保持不变的特性。

实施例3

一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金。按重量百分比计，合金的组成为Si:1.2wt.%,Sb:0.6wt.%,Mg:3.5wt.%,Sn:2.6wt.%,Ta:1.2wt.%,Mo:0.3wt.%,V:1.8wt.%,C:0.03wt.%,余量为钛。上述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，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（1050-1080度8个小时）然后进行水淬;在真空炉中进行去应力退火,温度为300度,时间1小时，随炉冷却到室温。

该材料在相区间的固溶温度（1050-1080度）和随后的水淬是获得高阻尼性能的工艺基础。在300度回火3个小时的过程中，尽管位错密度降低，但是间隙原子可以有效的偏聚在位错周围，为阻尼耗散能量提供结构基础。该材料具有优异的阻尼性能，在常温下的SDC为16%，而传统材料相钛合金的SDC小于4%。此外，该材料还有媲美传统相钛合金的力学性能：弹性模量为110GPa，屈服强度为940MPa，抗拉强度为1060MPa，延伸率为13%。该材料由于是位错-间隙原子和孪晶阻尼机制，因而该材料即使在较高的温度区间工作（200-300度），也不会发生像马氏体阻尼机制因为温度高于马氏体生成温度而导致减振性能缺失的现象。此外，该合金由于是单相钛合金，因而在使用过程中也不会有亚稳相析出。在300度以下的使用环境中，不仅具有突出的力学性能稳定性，微观组织也能在服役过程中保持不变的特性。

Claims

1.一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金；按照重量百分比,该合金的成分为:Si:1.0-1.5wt.%,Sb:0.5-0.8wt.%,Mg:3.0-4.0wt.%,Sn:2.5-2.8wt.%,Ta:1.0-1.8wt.%,Mo:0.2-0.4wt.%,V:1.5-2.0wt.%,C:0.02-0.04wt.%,余量为钛。

2.根据权利要求1所述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，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所述一种基于马氏体内界面和位错机制的高阻尼单相α钛合金，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（1050-1080度8个小时）然后进行水淬;在真空炉中进行去应力退火,温度为300度,时间1小时，随炉冷却到室温。