CN115612893B - 一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法 - Google Patents

一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法，钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为25％‑29％，Ta的质量分数为14％‑20％，其余都是Ti；钛铌钽合金垫片的制备方法包括如下步骤：步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为25％‑29％，Ta的质量分数为14％‑20％，其余都是Ti；步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；步骤S4：铸锭热锻为方坯；步骤S5：方坯热轧为厚板；步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；步骤S7：厚板进行冷轧；步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片。

Description

一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备 方法
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，特别涉及一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法。
背景技术
在光学仪器、航天航空、微电子器件等精密仪器中应用的紧固组件，对预紧力的稳定性具有极为严苛的要求，由于经常要承受各种极端温度或经历较多的冷热交替循环，因此在实际服役过程中，该类紧固组件受冷热变形而破坏原有平衡预紧力的现象广泛存在。在传统机械连接中，如何缓解外界因素对紧固连接的影响是学界一直关注的重点。在温度波动过程中，紧固组件因材料本身的热膨胀特性发生自然的膨胀和收缩，由于紧固螺栓与被紧固件热膨胀系数差异造成的热应变失配现象，容易引起紧固组件的过度挤压或间隙过大，以此导致紧固力的过载或不足，极易导致安全隐患，在工作过程发生固定件的断裂或松动、脱落。例如，航拍飞行器经历的海拔高度变化，较大的温差变化可引起航拍相机与固定架间的连接组件发生非协调热变形而出现松动；冷热变温台靠近热源处的小型紧固件，受冷热变形而出现松动的现象广泛存在；PCB集成电路板经长期热循环后，用于固定小型元器件的连接件易发生松动脱落，从而影响集成电路的使用安全。由此可见，精密仪器等所用紧固组件在温度剧烈变化服役环境下，存在以下必须高度重视的热膨胀问题：(1)膨胀量过大导致连接处载荷过高，导致螺栓发生疲劳、断裂等失效破坏；(2)非协调收缩变形使连接处残余预紧力达不到工作需求，丧失原本功能；(3)反复的温差变化热循环引发螺栓与被连接件间分离而破坏结构的完整性。因此设计制造可协调紧固件与被紧固件两者热应变的垫片，解决热膨胀系数失配问题，保证紧固组件的可靠性，具有重要的工程价值。
目前也存在针对服役于极端温度环境下紧固组件的防脱落、耐磨以及抵抗震动的措施。例如热紧螺栓，相对于一般水平状态下的法兰连接，热紧螺栓预紧力增加5％-10％，但是上述方法无法有效解决极端温度环境下紧固组件松动等情况，仅为相对缓解措施。申请号为CN202122798039.0的发明专利公开了一种高强度耐热防滑限位弹簧垫圈，得到了可通过垫圈本体的设置，在强度层和耐热防滑层的作用下对垫圈的硬度起到稳定的提高，然后在橡胶环的作用下与齿槽相互配合，避免垫圈环的位置出现偏移的效果。但在极端的温度环境下，仍会因为材料本身的膨胀特性发生自然的膨胀或收缩，引起载荷过大或不足，无法有效应对温差变化引起的热应变失配，因此工程应用价值较低。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片，钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为25％-29％，Ta的质量分数为14％-20％，其余都是Ti。
进一步的，钛铌钽合金垫片的安全使用温度需低于150℃。
进一步的，钛铌钽合金垫片沿厚度方向线性热膨胀系数调控范围为-26.5至-7.3ppm/℃。
进一步的，钛铌钽合金垫片沿径向的线性热膨胀系数为正值，线性热膨胀系数调控范围为11.3至32.0ppm/℃。
本发明的目的之二在于提供一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为25％-29％，Ta的质量分数为14％-20％，其余都是Ti；
步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；
步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；
步骤S4：铸锭热锻为方坯；
步骤S5：方坯热轧为厚板；
步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；
步骤S7：厚板进行冷轧；
步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；
步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片。
进一步的，步骤S7中冷轧减薄量为40％-50％。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、在垫片的安全使用温度150℃以下，垫片在厚度方向上的线性热膨胀系数为负值，并且线性热膨胀系数可根据使用工况进行调控，沿厚度方向线性热膨胀系数调控范围为-26.5至-7.3ppm/℃，沿垫片径向的线膨胀系数为正值，线膨胀系数调控范围为11.3至32.0ppm/℃。该钛合金垫片的材质表现出与其他钛合金相似的机械加工特性，具有良好的成形加工性能，可制造成标准尺寸的垫片和各种定制尺寸的垫片。
2、本发明的垫片可通过沿厚度方向上负热膨胀特性解决温度变化引起的预紧力偏离许用范围造成的紧固结构松动问题，以此确保系统能承受一定温度范围的反复热循环而不发生失效。在剧烈的温度变化和热循环的工作环境下，垫圈厚度方向上的负膨胀特性可补偿其他异种材料紧固组件随温度变化而发生的间隙变化量，消除由不同材料的热膨胀系数差异所引起的预紧力因温度变化发生的大幅波动，达到增加紧固组件热稳定性及结构完整性的目的。
附图说明
图1是本发明的制备流程图；
图2是图1中90度切割过程示意图；
图3是钛铌钽合金垫片热膨胀系数示意图；
图4是实施例1中钛铌钽合金垫片沿厚度方向的应变-温度曲线；
图5是实施例1中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变-温度曲线；
图6是实施例1中钛铌钽合金垫片沿厚度方向应变/温度随时间变化曲线；
图7是实施例1中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变/温度随时间变化曲线；
图8是实施例2中钛铌钽合金垫片沿厚度方向的应变-温度曲线；
图9是实施例2中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变-温度曲线；
图10是实施例2中钛铌钽合金垫片沿厚度方向应变/温度随时间变化曲线；
图11是实施例2中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变/温度随时间变化曲线；
图12是实施例3中钛铌钽合金垫片沿厚度方向的应变-温度曲线；
图13是实施例3中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变-温度曲线；
图14是实施例3中钛铌钽合金垫片沿厚度方向应变/温度随时间变化曲线；
图15是实施例3中钛铌钽合金垫片沿径向2个方向的应变/温度随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合图1-3对本发明的实施例作详细说明，
图1为本发明的工艺流程图；
图2为图1中90度切割及冲裁过程示意图；
图3为钛铌钽合金垫片不同方向的热膨胀系数测量方法，对比了不同选定测量方向的热膨胀系数差异。测试方向a呈现了负膨胀特性，测试方向b、c、d则不同程度地呈现了正膨胀特性。
下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法，钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为25％，Ta的质量分数为20％，其余都是Ti。
优选的，钛铌钽合金垫片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为25％，Ta的质量分数为20％，其余都是Ti；
步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；
步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；
步骤S4：铸锭热锻为方坯；
步骤S5：方坯热轧为厚板；
步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；
步骤S7：厚板进行冷轧；
步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；
步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片。
步骤S7中冷轧减薄量为45％。
钛铌钽合金垫片的安全使用温度需低于150℃。
钛铌钽合金垫片沿厚度方向的线性热膨胀系数调控为-26.5ppm/℃，如图4所示；钛铌钽合金垫片沿径向的线性热膨胀系数调控为32ppm/℃和11.3ppm/℃，如图5所示；钛铌钽合金垫片随时间的应变图如图6-7所示。
实施例2：
一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法，钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为27％，Ta的质量分数为17％，其余都是Ti。
优选的，钛铌钽合金垫片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为27％，Ta的质量分数为17％，其余都是Ti；
步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；
步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；
步骤S4：铸锭热锻为方坯；
步骤S5：方坯热轧为厚板；
步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；
步骤S7：厚板进行冷轧；
步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；
步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片。
步骤S7中冷轧减薄量为45％。
钛铌钽合金垫片的安全使用温度需低于150℃。
钛铌钽合金垫片沿厚度方向的线性热膨胀系数调控为-13.3ppm/℃，如图8所示；钛铌钽合金垫片沿径向的线性热膨胀系数调控为29.7ppm/℃和12.5ppm/℃，如图9所示；钛铌钽合金垫片随时间的应变图如图10-11所示。
实施例3：
一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片及其制备方法，钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为29％，Ta的质量分数为14％，其余都是Ti。
优选的，钛铌钽合金垫片的制备方法包括如下步骤：
步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为29％，Ta的质量分数为14％，其余都是Ti；
步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；
步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；
步骤S4：铸锭热锻为方坯；
步骤S5：方坯热轧为厚板；
步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；
步骤S7：厚板进行冷轧；
步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；
步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片。
步骤S7中冷轧减薄量为45％。
钛铌钽合金垫片的安全使用温度需低于150℃。
钛铌钽合金垫片沿厚度方向的线性热膨胀系数调控为-7.3ppm/℃，如图12所示；钛铌钽合金垫片沿径向的线性热膨胀系数调控为30.2ppm/℃和12.3ppm/℃，如图13所示；钛铌钽合金垫片随时间的应变图如图14-15所示。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种具有各向异性热膨胀性能的钛铌钽合金垫片，其特征在于：钛铌钽合金垫片由纯钛、纯铌和纯钽三种元素组成，其中Nb的质量分数为25％-29％，Ta的质量分数为14％-20％，其余都是Ti；
所述钛铌钽合金垫片的安全使用温度低于150℃；
所述钛铌钽合金垫片沿厚度方向线性热膨胀系数调控范围为-26.5至-7.3ppm/℃；
所述钛铌钽合金垫片沿径向的线性热膨胀系数为正值，线性热膨胀系数调控范围为11.3至32.0ppm/℃；
其制备方法包括如下步骤：
步骤S1:将纯钛、纯铌和纯钽元素按照比例配料，其中Nb的质量分数为25％-29％，Ta的质量分数为14％-20％，其余都是Ti；
步骤S2：采用真空自耗电弧技术进行4次熔炼铸锭；
步骤S3：铸锭经过高温均匀化扩散热处理，消除元素偏析；
步骤S4：铸锭热锻为方坯；
步骤S5：方坯热轧为厚板；
步骤S6：厚板经过退火处理和淬火处理；
步骤S7：厚板进行冷轧；
步骤S8：垂直于冷轧方向90度切割薄片；
步骤S9：将薄片冲裁为圆形中空垫片；
步骤S7中冷轧减薄量为40％-50％。
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