CN114959360B - 一种耐蚀钛合金及其制备方法和耐蚀柔性轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐蚀钛合金及其制备方法和耐蚀柔性轴承，属于钛合金技术领域。本发明以Ti为基体材料，其化学活性很高，在室温下表面会形成高稳定性的钝化膜，从而提高耐蚀性能；Mo元素属于热力学稳定性元素，能够提高α和β相的原子结合强度，同时Mo元素是β稳定化元素，能促进β相的形成，而β相可以有效阻止α相裂纹的扩展，进而有效的减弱应力腐蚀；Ni元素的加入会与Ti元素合金化，会在α‑Ti中形成Ti₂Ni以加速阴极反应，提高耐蚀性能；Al元素为典型的α稳定元素，其可通过形成置换固溶体进而形成固溶强化作用改善合金性能；Zr属于易钝化合金元素，会降低钛合金的阳极活性从而增加其钝化能力，从而提高耐蚀性能。

Description

一种耐蚀钛合金及其制备方法和耐蚀柔性轴承

技术领域

本发明涉及钛合金技术领域，尤其涉及一种耐蚀钛合金及其制备方法和耐蚀柔性轴承。

背景技术

柔性轴承是谐波减速器中的核心部件，其广泛应用于航空航天、机器人、及精密仪器等众多领域。传统柔性轴承主要承受交变应力，通过轴承薄壁与凸轮配合发生一定的弹性变形达到高减速比的性能要求，具有传动比大且适用范围广、承载能力大、密度小、可向密封空间传递运动等特点。目前柔性轴承的内外圈均采用高碳铬轴承钢或铝合金材质，具有一定的强度、韧性但其耐腐蚀性能一般，无法在酸性介质中长时间服役。因此，如何使柔性轴承能够长时间在酸性介质中服役成为本领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐蚀钛合金及其制备方法和耐蚀柔性轴承。本发明提供的耐蚀钛合金具备优异的耐蚀性能，将其制备成柔性轴承的内外圈能够使柔性轴承长时间在酸性介质中服役。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种耐蚀钛合金，化学成分按质量百分比计包括：Mo0.1～0.5％，Ni0.3～0.6％，Al 0.1～0.5％，Zr 0.1～0.5％和余量的Ti。

优选地，化学成分按质量百分比计包括：Mo 0.2～0.4％，Ni 0.4～0.5％，Al 0.3～0.4％，Zr 0.2～0.3％和余量的Ti。

本发明还提供了上述技术方案所述耐蚀钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将耐蚀钛合金的原料依次进行熔炼和浇铸，得到浇铸件；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件依次进行无锻直轧加工、淬火和回火，得到耐蚀钛合金。

优选地，所述步骤(1)中熔炼的温度为1726～1826℃，熔炼的时间为10～15min。

优选地，所述步骤(1)中的熔炼在真空条件下进行。

优选地，所述真空条件下的真空度＜10^-4hPa。

优选地，所述步骤(2)中无锻直轧加工的温度为900～950℃，无锻直轧加工的应变速率为0.01～0.1s^-1。

优选地，所述步骤(2)中淬火的温度为800～900℃，淬火的时间为5～10s。

优选地，所述步骤(2)中回火的温度为520～560℃，回火的保温时间为3～4h。

本发明还提供了一种耐蚀柔性轴承，所述耐蚀柔性轴承的内圈和外圈的材质为上述技术方案所述的耐蚀钛合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐蚀钛合金。

本发明提供了一种耐蚀钛合金，化学成分按质量百分比计包括：Mo0.1～0.5％，Ni0.3～0.6％，Al 0.1～0.5％，Zr 0.1～0.5％和余量的Ti。本发明以Ti为基体材料，其化学活性很高，在室温下表面会形成高稳定性的钝化膜，从而提高耐蚀性能；Mo元素属于热力学稳定性元素，能够提高α和β相的原子结合强度，同时Mo元素是β稳定化元素，能促进β相的形成，而β相可以有效阻止α相裂纹的扩展，进而有效的减弱应力腐蚀；Ni元素的加入会与Ti元素合金化，会在α-Ti中形成Ti₂Ni以加速阴极反应，提高耐蚀性能；Al元素为典型的α稳定元素，其可通过置换固溶体进而形成固溶强化作用改善合金性能；Zr属于易钝化合金元素，会降低钛合金的阳极活性从而增加其钝化能力，从而提高钛合金的耐蚀性能。实验结果表明，将本发明提供的钛合金制备成柔性轴承的内外圈，与保持架和陶瓷滚珠装配成柔性轴承，在3.5％NaCl溶液中开路电位为-0.466V，腐蚀电位为-0.482～-0.486V，电流密度为12.788μA·cm^-2～19.289μA·cm^-2，能够在酸性介质中长时间服役。

附图说明

图1为本发明提供的柔性轴承的结构示意图；

图2为应用例1和2制备得到的柔性轴承在3.5％NaCl溶液中的开路电位曲线；

图3为应用例1和2制备得到的柔性轴承在3.5％NaCl溶液中的极化曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种耐蚀钛合金，化学成分按质量百分比计包括：Mo0.1～0.5％，Ni0.3～0.6％，Al 0.1～0.5％，Zr 0.1～0.5％和余量的Ti。

按质量百分比计，本发明提供的耐蚀钛合金包括Mo 0.1～0.5％，优选为0.2～0.4％，更优选为0.3％。在本发明中，Mo元素属于热力学稳定性元素，能够提高α和β相的原子结合强度，同时Mo元素是β稳定化元素，能促进β相的形成，而β相可以有效阻止α相裂纹的扩展，进而有效的减弱应力腐蚀。

按质量百分比计，本发明提供的耐蚀钛合金包括Ni 0.3～0.6％，优选为0.4～0.5％，更优选为0.45％。在本发明中，Ni元素的加入会与Ti元素合金化，会在α-Ti中形成Ti₂Ni以加速阴极反应，提高耐蚀性能。

按质量百分比计，本发明提供的耐蚀钛合金包括Al 0.1～0.5％，优选为0.3～0.4％，更优选为0.35％。在本发明中，Al元素为典型的α稳定元素，其可通过置换固溶体进而形成固溶强化作用改善合金性能；本发明通过控制Al元素的含量能够避免其含量过多导致与Ti产生脆性相，对合金性能产生不良影响。

按质量百分比计，本发明提供的耐蚀钛合金包括Zr 0.1～0.5％，优选为0.2～0.3％，更优选为0.25％。在本发明中，Zr属于易钝化合金元素，会降低钛合金的阳极活性从而增加其钝化能力，从而提高钛合金的耐蚀性能；并且在高温下，Zr元素能够显著提高合金的强度。

按质量百分比计，本发明提供的耐蚀钛合金包括余量的Ti。在本发明中，Ti元素为基体材料，其化学活性很高，在室温下表面会形成高稳定性的钝化膜，从而提高耐蚀性能。

本发明以Ti为基体材料，其化学活性很高，在室温下表面会形成高稳定性的钝化膜，从而提高耐蚀性能；Mo元素属于热力学稳定性元素，能够提高α和β相的原子结合强度，同时Mo元素是β稳定化元素，能促进β相的形成，而β相可以有效阻止α相裂纹的扩展，进而有效的减弱应力腐蚀；Ni元素的加入会与Ti元素合金化，会在α-Ti中形成Ti₂Ni以加速阴极反应，提高耐蚀性能；Al元素为典型的α稳定元素，其可通过置换固溶体进而形成固溶强化作用改善合金性能；Zr属于易钝化合金元素，会降低钛合金的阳极活性从而增加其钝化能力，从而提高钛合金的耐蚀性能。

本发明通过进行合理的配比，使得钛合金实现了良好的耐腐蚀性，低弹性模量、高强韧性的性能，适用于柔性轴承。

本发明还提供了上述技术方案所述耐蚀钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将耐蚀钛合金的原料依次进行熔炼和浇铸，得到浇铸件；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件依次进行无锻直轧加工、淬火和回火，得到耐蚀钛合金。

本发明将耐蚀钛合金的原料依次进行熔炼和浇铸，得到浇铸件。

本发明对所述耐蚀钛合金的原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述熔炼优选在电子束冷床炉中进行。本发明对所述电子束冷床炉的型号没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的仪器设备即可。

在本发明中，所述熔炼的温度优选为1726～1826℃，更优选为1758～1800℃；所述熔炼的时间优选为10～15min，更优选为12～15min。

在本发明中，所述熔炼优选在真空条件下进行；所述真空条件下的真空度优选＜10^-4hPa。

在本发明中，所述浇铸前优选对模具进行预热。在本发明中，所述预热的温度优选为300℃；所述预热的保温时间优选为2h。在本发明中，在浇铸前对模具进行预热能够防止水汽的不良反应。

本发明对所述浇铸的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇铸操作即可。

得到浇铸件后，本发明将所述浇铸件依次进行无锻直轧加工、淬火和回火，得到耐蚀钛合金。

在本发明中，所述无锻直轧加工的温度优选为900～950℃，更优选为920～950℃；所述无锻直轧加工的应变速率优选为0.01～0.1s^-1，更优选为0.05～0.08s^-1。本发明采用无锻直轧加工无需二次加热，开坯锻造流程，直接利用EB炉熔炼铸锭进行轧制，使整个加工过程流程缩短，能耗降低，成本降低。

无锻直轧加工完成后，本发明优选对所述无锻直轧加工得到的产物依次进行车加工和表面涂刷Cr₂O₃保护性涂料。

本发明对所述车加工的操作没有特殊的限定，根据所需零件尺寸进行操作即可。

本发明对所述Cr₂O₃保护性涂料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明对所述涂刷的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的涂刷操作即可。本发明对所述涂刷的厚度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。在本发明中，表面涂刷Cr₂O₃保护性涂料能够防止后续在热处理过程中发生氧化。

在本发明中，所述淬火的温度优选为800～900℃，更优选为850℃；所述淬火的时间优选为5～10s，更优选为5～8s。在本发明中，所述淬火优选为油淬。

在本发明中，所述回火的温度优选为520～560℃，更优选为540～550℃；所述回火的保温时间优选为3～4h，更优选为3.5h；所述回火的冷却优选为空冷。

本发明提供的耐蚀钛合金的制备方法操作简单，成本较低，选定合适的步骤及参数，使材料之间相互结合发挥出了最好的作用，具有很好的应用价值。

本发明还提供了一种耐蚀柔性轴承，所述耐蚀柔性轴承的内圈和外圈的材质为上述技术方案所述的耐蚀钛合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的耐蚀钛合金。

在本发明中，所述耐蚀柔性轴承内圈和外圈的制备方法优选为：将耐蚀钛合金依次进行精车和超精密磨削。本发明对所述精车和超精密磨削的操作没有特殊的限定，根据所需柔性轴承内圈和外圈的尺寸进行调整即可。

在本发明中，所述耐蚀柔性轴承优选由外圈、内圈、保持架和滚珠组成；所述保持架的材质优选为尼龙；所述滚珠的材质优选为陶瓷。本发明对所述保持架和滚珠材质的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

本发明对所述外圈、内圈、保持架和滚珠的组合方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的组合方式即可。

本发明提供的柔性轴承不仅具备优异的耐腐蚀性，还具有弹性模量低、强韧性高、密度小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好的特点。

本发明提供的柔性轴承采用针对酸性介质工况环境特别设计的钛合金材质的外圈和内圈，具有弹性模量低、强韧性高的特点，同时保持架和滚珠采用同样具有高耐蚀性能的尼龙和陶瓷材料。

本发明提供的柔性轴承的结构示意图如图1所示，从图1可以看出，柔性轴承包括耐蚀钛合金外圈、耐蚀钛合金内圈、尼龙材质保持架和陶瓷滚珠。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

耐蚀钛合金化学成分按质量百分比计为：Mo 0.4％，Ni 0.5％，Al 0.4％，Zr0.3％和余量的Ti；

所述耐蚀钛合金的制备方法，由以下步骤组成：

(1)将Mo、Ni、Al、Zr、Ti按上述重量比例进行称重配料后，在真空度为10^-4hPa以下的电子束冷床炉中熔炼，再迅速浇铸于浇铸模具中，得到浇铸件；其中，熔炼的温度为1758℃，时间为15min；浇铸模具需要提前预热至300℃，保温时间为2h；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件加热至900℃，进行无锻直轧加工，然后车加工成内、外圈毛坯件，之后在毛坯件表面涂刷一层Cr₂O₃保护性涂料，随后加热至900℃进行油淬5s，之后进行回火，空冷得到耐蚀钛合金；其中，无锻直轧加工的应变速率为0.1s^-1；回火的温度为540℃，回火的保温时间为4h。

应用例1

将实施例1制备得到耐蚀钛合金依次进行精车和超精密磨削，得到柔性轴承的内圈和外圈，再将内圈和外圈与保持架和陶瓷滚珠进行装配，得到柔性轴承。

实施例2

耐蚀钛合金化学成分按质量百分比计为：Mo 0.1％，Ni 0.6％，Al 0.3％，Zr0.2％和余量的Ti；

所述耐蚀钛合金的制备方法，由以下步骤组成：

(1)将Mo、Ni、Al、Zr、Ti按上述重量比例进行称重配料后，在真空度为10^-4hPa以下的电子束冷床炉中熔炼，再迅速浇铸于浇铸模具中，得到浇铸件；其中，熔炼的温度为1758℃，时间为15min；浇铸模具需要提前预热至300℃，保温时间为2h；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件加热至950℃，进行无锻直轧加工，然后车加工成内、外圈毛坯件，之后在毛坯件表面涂刷一层Cr₂O₃保护性涂料，随后加热至900℃进行油淬5s，之后进行回火，空冷得到耐蚀钛合金；其中，无锻直轧加工的应变速率为0.1s^-1；回火的温度为550℃，回火的保温时间为3h。

应用例2

将实施例2制备得到的耐蚀钛合金依次进行精车和超精密磨削，得到柔性轴承的内圈和外圈，再将内圈和外圈与保持架和陶瓷滚珠进行装配，得到柔性轴承。

将应用例1和2制备得到的柔性轴承放入3.5％NaCl溶液中进行耐腐蚀性能测试，其中，应用例1和2制备得到的柔性轴承在3.5％NaCl溶液中的开路电位曲线如图2所示，极化曲线如图3所示，耐腐蚀性能测试结果如表1所示。

表1柔性轴承在3.5％NaCl溶液中开路电位、腐蚀电位和腐蚀电流密度的测试结果

	开路电位/V	腐蚀电位/V	腐蚀电流密度/μA·cm<sup>-2</sup>
				实施例1	-0.466	-0.482	12.788
实施例2	-0.466	-0.486	19.289

通过表1可以看出，应用例1和2制备得到柔性轴承在3.5％NaCl溶液开路电位都为-0.466V，其腐蚀电位和电流密度分别为：-0.482V、-0.486V和12.788μA·cm^-2、19.289μA·cm^-2，都具有优异的耐腐蚀性，可以在酸性介质中长时间服役。

从以上实施例和应用例可以看出，本发明提供的耐蚀钛合金具备优异的耐蚀性能，将其制备成柔性轴承的内外圈能够使柔性轴承长时间在酸性介质中服役。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种耐蚀钛合金，化学成分按质量百分比计为：Mo 0.2~0.4％，Ni 0.4~0.5％，Al0.1~0.5％，Zr 0.1~0.5％和余量的Ti；

所述耐蚀钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将耐蚀钛合金的原料依次进行熔炼和浇铸，得到浇铸件；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件依次进行无锻直轧加工、淬火和回火，得到耐蚀钛合金；

所述步骤(1)中的熔炼在真空条件下进行；

所述步骤(2)中无锻直轧加工的温度为900~950℃，无锻直轧加工的应变速率为0.01~0.1s^-1；

所述步骤(2)中淬火的温度为800~900℃，淬火的时间为5~10s；

所述步骤(2)中回火的温度为520~560℃，回火的保温时间为3~4h；

所述无锻直轧加工无需二次加热和开坯锻造流程，直接利用EB炉熔炼铸锭进行轧制。

2.根据权利要求1所述的耐蚀钛合金，其特征在于，化学成分按质量百分比计包括：Mo0.2~0.4％，Ni 0.4~0.5％，Al 0.3~0.4％，Zr 0.2~0.3％和余量的Ti。

3.权利要求1或2所述耐蚀钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将耐蚀钛合金的原料依次进行熔炼和浇铸，得到浇铸件；

(2)将所述步骤(1)得到的浇铸件依次进行无锻直轧加工、淬火和回火，得到耐蚀钛合金；

所述步骤(1)中的熔炼在真空条件下进行；

所述步骤(2)中无锻直轧加工的温度为900~950℃，无锻直轧加工的应变速率为0.01~0.1s^-1；

所述步骤(2)中淬火的温度为800~900℃，淬火的时间为5~10s；

所述步骤(2)中回火的温度为520~560℃，回火的保温时间为3~4h；

所述无锻直轧加工无需二次加热和开坯锻造流程，直接利用EB炉熔炼铸锭进行轧制。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中熔炼的温度为1726~1826℃，熔炼的时间为10~15min。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空条件下的真空度＜10^-4hPa。

6.一种耐蚀柔性轴承，其特征在于，所述耐蚀柔性轴承的内圈和外圈的材质为权利要求1或2所述的耐蚀钛合金或权利要求3~5任意一项所述制备方法制备得到的耐蚀钛合金。

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