CN112048640B - 一种钛合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金及其制备方法，所述钛合金原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100，本发明制备的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛电阻率的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。

Description

一种钛合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金材料领域，更具体的，涉及一种钛合金及其制备方法。
背景技术
涡流是导体在交变的磁场中感应的电场形成的电流反作用于磁场的结果。涡流的产生对交变电磁场系统中信号的传输产生严重的干扰；涡流的产生同时也将交变电场、磁场中的一部分能量转变为无法利用的热能，造成能量的损失，同时也容易引起因发热导致的其他事故；提高导体的电阻率是降低涡流的有效方法之一，但是金属作为电的良导体，其电阻率一般均在较低的水平，如纯铝的电阻率仅为0.02μΩ/m，在金属中，钛的电阻率一般较高，纯钛的电阻率可达0.43μΩ/m，是纯铝的20倍左右；为了抑制涡流的影响，在存在交变电场或磁场的系统中，某些精密结构件需使用更高电阻率、无磁且可加工性优的合金。
提高钛合金电阻率的方法主要有冷加工与合金化两种方法；经冷加工的钛合金由于组织中存在大量的位错、晶界与应力集中区域等；电阻率可以显著提高，但这也会导致合金强度增加、韧性降低，对可加工性产生不利影响，此外，冷加工后的钛合金在一定温度下回复也会导致其电阻率逐渐降低至冷加工前的状态；通过金属元素的合金化可以提高钛合金的电阻率，例如通过Al和V合金化，得到TC4合金(Ti-6Al-4V)的电阻率可达纯钛的4倍；但是随着金属合金元素添加量的提高，对合金电阻率的影响效果越差，此外高合金化元素的添加会造成材料强度的提高，恶化合金的可加工性，同时使合金的生产成本大大增加。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明第一方面提供一种钛合金，所述钛合金原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100。
在某些实施方式中，优选为90≤a≤96，1≤b≤2，3≤c≤4，0≤d≤2，0≤e≤1，0＜f＜1且a+b+c+d+e+f＝100。
在某些实施方式中，所述钛合金中还包括化学元素J，所述化学元素J为Si、Ga、In、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、V、Nb、Ta中的一种或多种。
在某些实施方式中，所述钛合金原子百分比表达式还可以是TiaAlbZrcHfdMoeOfJg，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1，0≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g＝100。
本发明第二方面提供一种钛合金的制备方法，所述制备方法包括：
对原料进行预处理后称取各原料，将各原料熔炼成铸态合金，经过均匀化处理后，得到钛合金材料。
在某些实施方式中，所述制备方法中对原料进行预处理包括去除原料表面的氧化皮和超声波振荡清洗过程。
在某些实施方式中，所述制备方法中将钛合金中各化学元素的原子百分比换算成质量百分比后，称取各原料的量。
在某些实施方式中，所述制备方法中氧元素以TiO2的形式加入。
在某些实施方式中，所述制备方法中各原料和氧化物原料按熔点高低顺序依次加入熔炉中进行熔炼。
在某些实施方式中，所述制备方法中铸态合金均匀化处理包括冷轧、退火以及淬火处理过程。
本发明的有益效果
本发明提供一种钛合金及其制备方法，所述钛合金原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100，本发明制备的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施方式中一种合金Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5的铸态X射线衍射图谱，横坐标为2Theta角度，纵坐标为衍射强度；
图2为本发明实施方式中一种合金Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5铸态扫描电子显微镜照片；
图3为本发明实施方式中一种合金Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5均化处理后的扫描电子显微镜照片；
图4为本发明实施方式中一种合金Ti92.5Al1.5Zr3.5Hf1Mo0.5Fe0.5O0.5的铸态X射线衍射图谱；
图5为本发明实施方式中一种合金Ti97Al2.1Zr0.8O0.1的铸态X射线衍射图谱；
图6为本发明实施方式中一种钛合金的制备方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
目前，现有的金属导体电阻率较低，在交变电场、磁场中容易产生涡流，一部分能量转变为无法利用的热能，造成能量的损失，同时也容易引起因发热导致的其他事故，为了抑制涡流的影响，在存在交变电场或磁场的系统中，某些精密结构件需使用更高电阻率的金属合金。
基于此，本发明第一方面实施方式中，提供一种钛合金，钛合金原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100。
具体的，TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金可以是Ti92Al2Zr3Hf1Mo1O1、Ti93Al2Zr3Hf1O1或Ti96Al2Zr1O1，可以理解，85≤a＜100，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100，TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金中各化学元素原子百分比的选取不会形成实质性的影响，在不影响本发明的主体构思的前提下，本领域技术人员有能力在不付出创造性劳动的基础上，可以进行任意TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金中各化学元素原子百分比的选取，本发明不做限制。
本发明提供的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛电阻率的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。
在优选的的实施方式中，TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金，其中90≤a≤96，1≤b≤2，3≤c≤4，0≤d≤2，0≤e≤1，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100。
可以理解，TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金可以是Ti92.5Al2Zr3Hf1Mo1O0.5或Ti93Al2Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5，在不影响本发明的主体构思的前提下，本领域技术人员有能力在不付出创造性劳动的基础上，可以进行任意TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金中各化学元素原子百分比的选取，本发明不做限制。
在某些实施方式中，钛合金中还包括化学元素J，化学元素J为Si、Ga、In、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、V、Nb、Ta中的一种或多种，化学元素J在钛合金中起到固溶强化作用。
进一步的，钛合金原子百分比表达式还可以是TiaAlbZrcHfdMoeOfJg，其中：85≤a＜100，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1，0≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g＝100。
优选的，90≤a≤96，1≤b≤2，3≤c≤4，0≤d≤1，0≤e≤1，0≤f≤1，0≤g≤1，且a+b+c+d+e+f+g＝100，具体的钛合金原子百分比表达式可以是Ti92Al1Zr3Hf1Mo1Fe1O1，在不影响本发明的主体构思的前提下，本领域技术人员有能力在不付出创造性劳动的基础上，可以进行任意TiaAlbZrcHfdMoeOfJg钛合金中各化学元素原子百分比的选取，本发明不做限制。
从上述实施方式可以知晓，本发明制备的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛电阻率的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。
本发明第二方面实施方式中，提供一种钛合金的制备方法，如图6所示，该制备方法包括：
S11：对原料进行预处理后称取各原料，将各原料熔炼成铸态合金，经过均匀化处理后，得到钛合金材料。
通过本发明提供的制备方法制备的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛电阻率的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。
可以理解，钛合金材料是以钛为基础加入其他元素组成的合金，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点。
在具体合成过程中，根据需要称取各合成原料以得到对应的钛合金材料。
在一些实施方式中，对原料进行预处理包括去除原料表面的氧化皮和超声波振荡清洗过程；
具体的，为了得到高纯度的冶炼原料(Ti、Al、Zr、Hf和Mo元素)，可采用砂轮或砂纸去除原料表面的氧化膜，然后在酒精中用超声波振荡清洗干净，烘干后供熔炼合金使用。
在某些实施方式中，将钛合金中各化学元素的原子百分比换算成质量百分比后，称取各原料的量，制备方法中需要的氧元素以TiO2的形式加入，可以理解，制备方法中需要的Ti元素的来源包括高纯Ti和TiO2。
进一步的，钛合金制备方法中各原料和氧化物原料按熔点高低顺序依次加入熔炉中进行熔炼，具体的，熔点高的原料先加入熔炉中，熔点低的原料后加入熔炉中，进而提高原料熔炼效率。
在一些实施方式中，铸态合金均匀化处理包括冷轧、退火以及淬火处理过程；具体的将铸态合金通过电火花切割成2*10*70mm的板，经过30％冷轧处理后，将合金板封入石英管中，石英管预先抽真空至低于1*10-3Pa后通入高纯氩气，将封好的石英管放入973K下30min后淬火。
下面以具体场景案例对本发明中的实施方式进行举例说明。
场景案例1
Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5合金的制备方法及合金结构与性能检测：
1、制备方法包括以下步骤：
(1)原料准备：本发明采用的冶炼原料为高纯Ti、Al、Zr、Hf和Mo元素，用砂轮或砂纸去除原料表面的氧化膜，其中，氧元素以粉体或块体TiO2的形式直接加入，Ti元素的来源包括高纯Ti和TiO2，将各原料按照摩尔比进行称量配比，然后在酒精中用超声波振荡清洗干净，供熔炼合金使用；
(2)合金的制备：本发明采用真空非自耗电弧熔炼合金，将原料按熔点高低顺序堆放在水冷铜坩埚里，待母合金充分熔炼均匀后，打开炉腔取出合金；将炼好的合金锭子在酒精中用超声波振荡清洗干净，然后使用真空吸铸设备，将合金吸铸进入水冷铜模中，获得10*10*70mm铸态合金样品；
(3)均匀化处理：将铸态合金通过电火花切割成2*10*70mm的板，经过30％冷轧处理后，将合金板封入石英管中，石英管预先抽真空至低于1*10-3Pa后通入高纯氩气，将封好的石英管放入973K下30min后淬火。
2、合金结构与性能测试：
如图1所示，Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5合金XRD测试结果与PDF标准卡片对比，表明制备的钛合金是单相密排六方结构；
请参阅图2和图3，图2为本发明实施方式中一种合金Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5铸态扫描电子显微镜照片，图3为本发明实施方式中一种合金Ti93.5Al1.5Zr3.5Hf0.5Mo0.5O0.5均化处理后的扫描电子显微镜照片，通过图2和图3对比可知对铸态合金均匀化处理后，减小或消除晶内偏析，达到均匀化的目的，进而提高铸态合金的拉伸性能。
对制备的铸态合金进行测试，测试结果表明：室温下，铸态合金抗拉强度达到600MPa，屈服强度达到490MPa，延伸率达到17％，电阻率≥3.9μΩ/m。
场景案例2
Ti92.5Al1.5Zr3.5Hf1Mo0.5Fe0.5O0.5合金的制备方法及合金结构与性能检测：
1、制备方法同场景案例1。
2、合金结构与性能检测：
如图4所示，Ti92.5Al1.5Zr3.5Hf1Mo0.5O0.5Fe0.5合金XRD测试结果与PDF标准卡片对比，表明制备的钛合金是单相密排六方结构；对制备的铸态合金进行电阻率测试，测试结果表明：铸态合金室温下电阻率≥4.0μΩ/m。
场景案例3
Ti97Al2.1Zr0.8O0.1合金的制备方法及合金结构与性能检测：
1、制备方法同场景案例1。
2、合金结构与性能检测：
如图5所示，Ti97Al2.1Zr0.8O0.1合金XRD测试结果与PDF标准卡片对比，表明制备的钛合金是单相密排六方结构；对制备的铸态合金进行电阻率测试，测试结果表明：铸态合金室温下电阻率≥2.1μΩ/m。
需要特别说明的是，在本发明的实施方式中，合金中的各化学元素百分比是按照配料的原始成分占比得来的。
从上述实施方式可以知晓，本发明提供的钛合金制备方法，思路清晰，易于实现和操作，且制备的TiaAlbZrcHfdMoeOf钛合金具有高电阻率，常温下电阻率可达到纯钛电阻率的9倍，可用于交变电场或磁场中的不导磁钛合金构件，能显著降低涡流产生的发热现象。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种钛合金，其特征在于，所述钛合金中包含化学元素Ti、Al、Zr、Hf、Mo和O，原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1且a+b+c+d+e+f＝100。
2.根据权利要求1所述一种钛合金，其特征在于，所述钛合金中包含化学元素Ti、Al、Zr、Hf、Mo和O，原子百分比表达式为TiaAlbZrcHfdMoeOf，其中：90≤a≤96，1≤b≤2，3≤c≤4，0≤d≤2，0≤e≤1，0＜f＜1且a+b+c+d+e+f＝100。
3.根据权利要求1所述一种钛合金，其特征在于，所述钛合金原子百分比表达式还可以是TiaAlbZrcHfdMoeOfFeg，其中：85≤a＜99，0＜b≤5，0＜c≤10，0≤d≤5，0≤e≤2，0＜f≤1，0≤g≤5，且a+b+c+d+e+f+g＝100。
4.如权利要求1-3任一项所述的钛合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
对原料进行预处理后称取各原料，将各原料熔炼成铸态合金，经过均匀化处理后，得到钛合金材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中对原料进行预处理包括去除原料表面的氧化皮和超声波振荡清洗过程。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中将钛合金中各化学元素的原子百分比换算成质量百分比后，称取各原料的量。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中各原料和氧化物原料按熔点高低顺序依次加入熔炉中进行熔炼。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中铸态合金均匀化处理包括冷轧、退火以及淬火处理过程。
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"Ti-4.5Al-6.5Mo-2Cr-2.6Nb-2Zr-1Sn 钛合金的高温变形行为";张勇 等;《稀有金属材料与工程》;20200331;第49卷(第3期);945-948 *

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