CN1156591C - 一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜 - Google Patents
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Abstract
一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成：V、Mo元素之一种或两种，重量含量为10%～17%；Cr、Fe、Sn、Zr元素之一种或多种，重量含量为1%～13%；Al、B元素之一种或两种，重量含量为0.1%～7%；Ti元素，余量。本发明强度高、刚性好，同时具有良好的成型性。
Description
本发明涉及金属膜材料，特别提供了一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜。
由振动信号转换为电、位移、压力等信号，或电、位移、压力等信号转换为振动信号，必须经过振膜来实现，振膜材料的品质就成为换能装置(振动电、位移、压力)整体性能好坏的关键。优良的振膜材料应该具有低密度、高强度、高刚度、高传振速度和适宜的振动内部损耗等综合性能。表1列出了目前传声用振膜材料的相关物理性能。
表1部分传声振膜材料的物理性能
| 材料名称 | 传声速度(m/s) | 弹性模量(×1011Pa) | 密度(g/cm3) | 内部损耗 |
| 不锈钢 | 5100 | 2.0 | 7.9 | -- |
| 铝 | 5200 | 0.74 | 2.7 | 0.003 |
| 纯钛 | 5000 | 1.1 | 4.5 | 0.003 |
| 氧化铝 | 10400 | 4.3 | 3.9 | -- |
| 碳化钨 | 6800 | 7.2 | 15.6 | -- |
| 铍 | 12300 | 2.8 | 1.8 | 0.005 |
| 金刚石 | 18500 | 11.5 | 3.5 | 0.014 |
由表1可以看出，金刚石具有最好的高频响应性能，缺点是制备金刚石膜的设备复杂、工艺繁琐、成本高昂，而且对基体的要求非常苛刻---要求熔点必须在900℃以上，热膨胀系数小，与工作气氛中的氢，碳不能发生化学反应等条件，这使金刚石振膜难于在近期内得到应用。
具有质量轻、刚性高、传声速度快等特点的陶瓷材料(如氧化铝等)近年来引人注目，目前以下几个方面的问题制约了这种新材料的工业化：1)陶瓷材料的熔点非常高(2000℃以上)，高温处理时，振膜的形状及尺寸精度无法保证；2)材料硬、脆，单独使用困难。国外采取物理气相沉积方法将陶瓷沉积在金属表面，不过此方法常出现结合不良，不均匀等问题，另外造价昂贵。
金属振膜的比弹性率高、内阻尼小，大幅度提高换能装置的功率和灵敏度；同时由于金属振膜加工成型性好，耐腐蚀性强，使换能装置的整体性能达到极高水平。从换能装置的发展历程看，曾使用铍、不锈钢、铝、纯钛等金属材料制作振膜，但性能并不令人满意。在金属振膜中，铍是比弹性率最理想的材料，但铍资源很少，价格昂贵，另外杂质含量控制、加工性及表面处理等方面存在很大问题，目前在国内尚无法使用。铝和不锈钢振膜价格便宜，加工成型性好，是目前主要使用的材料。铝的强度低，刚性差，不耐蚀，不锈钢密度太大，几方面原因使这两种材料主要用于低品位、要求不高的换能装置上。纯钛是八十年代末新兴的振膜材料，国外在一些高档换能装置上已普遍使用，但纯钛振膜的最大缺点是强度低、刚性差，当前急于寻找一种新的金属振膜来代替它。
进入九十年代，使用纯钛振膜成为时尚。针对纯钛刚性差的弱点，国内外科技工作者提出了不少办法，例如渗硼、渗氮、表面镀金刚石膜等，但是都因为设备、工艺、性能、成本等方面原因未能产业化。
本发明的目的在于提供一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其强度高、刚性好，同时具有良好的成型性。
本发明提供了一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成：
V、Mo元素之一种或两种，重量含量为10％～17％；
Cr、Fe、Sn、Zr元素之一种或多种，重量含量为1％～13％；
Al、B元素之一种或两种，重量含量为0.1％～7％；
Ti元素，余量。
与现有技术相区别的是，为了改善纯钛振膜的物理和力学性能，本发明从膜材料的角度出发，对钛振膜进行了改进，提供了一种钛合金限膜。具体地讲，为了使钛合金振膜达到最佳物理性能及力学性能匹配，在合金设计时，是从下述几个方面考虑的：
从钛合金相图可知，高温稳定相为β相，立方晶系；低温稳定相为α相，六方晶系。由于立方晶系的滑移系较多，因此含β相多的钛合金变形比较容易。降低α-β相变温度的元素称为β稳定元素，包括Mo、V、Zr、Nd、Hf、Ta、Re等；提高α-β相变温度的元素称为α稳定元素，包括Al、Ga.C、O等。由于含β相多的钛合金易于冷变形--适于箔材轧制，因此要选择V、Mo等β稳定元素做振膜用钛合金的主要成分。
在合金设计时，即要考虑合金元素对钛合金加工成型性的影响，又要考虑降低合金的密度，同时提高合金的弹性模量，从这个角度讲，合金中应加入适量的α稳定元素。例如B元素，该元素比重小，同时能在钛合金中析出TiB相而显著提高合金弹性模量。当纯钛中TiB相体积分数由0增至15％时，弹性模量由109GPa提高到139GPa；Ti-6Al-4V合金中B含量由0增至2％时，弹性模量由116.7GPa提高到140GPa。另外Al元素密度小，同时亦能显著提高合金弹性模量。Ti-8Al-1Mo-1V(Ti-811)合金由于Al含量高，成为目前弹性模量最高的钛合金。综合分析，选择Al和B作为合金强化元素。
从成本、熔炼偏析程度及冷加工性能方面考虑，选择的β稳定元素为V、Mo、Cr、Sn、Zr、Fe元素；从比重、弹性模量及热处理工艺方面考虑，选择的α稳定元素为Al和B，这样就构成了振膜用3A-钛合金的合金成分，即β稳定元素(V，Mo，Cr，Sn，Zr，Fe)+α稳定元素(Al，B)。
大量试验研究表明，合金的β稳定系数(Kβ)在1.2-2.4范围内，强β稳定元素V和Mo占绝大部分含量(大于10重量百分比)，Cr、Fe、Sn、Zr则因环境要求不同，而进行适当变化。
其中Kβ＝C/C临
C--合金中β稳定元素的浓度
C临--自β区淬火成百分之百的β组织的浓度
对应于不同的应用场合，本发明还提供了相应的较佳成分范围。
表2
合金元素
应用场合
Ti Mo V Zr Cr Sn Al B
高模、高强、抗氧化 余 12～16 4～6 2～3 3～4 0.1～0.3
高模、高成型性、高韧 余 10～15 3～5 2～3 1～3 3～4 0.1～0.2
综合性能好 余 10～12 2～5 2～6 1～3 1～4 2～6 0.1～0.6
本发明还提供了上述高强度高刚性高成型性钛合金振膜的制备方法，括真空熔炼、冷轧真空退火、热处理，其特征在于：
冷轧真空退火制度为：800～850℃/2h，空气冷却；
热处理制度为：700～850℃/5～60min，空气冷却；450～520℃/4～10h，空气冷却。
为了适应一些特殊场合对振膜的特殊要求，热处理之后需对振膜的表面进行渗硼，工艺条件为：800/1～2h，空气冷却。也可以在热处理之后进行渗氮，工艺条件为：600/1～2h，空气冷却。
本发明成分振膜钛合金经热处理后，以β相为主兼有少量的α相和TiB化合物相。这些相中，α相和TiB化合物相为强化相，以提高振膜的强度和弹性模量，其形貌见图1和图2。对应不同的固溶温度区间，可以形成不同的组织，主要包括片状组织和等轴组织。在β单相区固溶，冷却过程中β相将发生马氏体转变，析出片层状α相，α片与残余β相一同构成了片状组织。片状组织由于晶粒度过大，强度和塑性都不高。在下两相区固溶，初生α相发生球化，形成等轴组织。这种组织具有最佳的综合性能。合金不同时效处理后的金相见图3。钛合金经时效处理后，其弹性模量可在120-160GPa，室温拉伸强度在1200-1800MPa范围内。下面通过实施例详述本发明。
附图1α相弥散析出的金相照片。
附图2TiB颗粒弥散析出的金相照片。
附图3为冷轧箔材时效处理后的金相a-500℃，b-550℃，c-600℃，d-650℃，e-700℃。
附图4为球顶型振膜工作示意图。
附图5为弯曲圆片结构示意图。
附图6为双压电膜片触觉传感器结构图。
实施例1 动圈扬声器振膜材料
球顶型振膜(见图4)由于其激发的声场具有独特的优点，所以被广泛用于中、高频扬声器、耳机等动圈式电声器件中作为振动膜片。球顶型振膜的厚度一般在10-80μm。在以半径为R的圆周上胶合由导线绕制的音圈，音圈置于恒定磁场之中，当音圈中通过音频电流时，置于磁场中的音圈受到一个同时垂直于电流和磁场方向的力。这个力由音圈骨架传递到振膜上，振膜就以R为半径的圆周作为支点振动，并在空间激发与音频电流相对应的声场，从而完成电能到声能的转换。
动圈扬声器振膜用钛合金成分可选择Ti-15V-1Mo-2Cr-2Sn-2Zr-0.45Fe-3Al-1B合金，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金，Ti-10V-2Fe-3Al合金，常规真空自耗炉三次熔炼，制得成分均匀的圆型铸锭；采用常规开坯、热锻、冷轧工艺，轧制出50μm厚箔材。箔材经700℃/2h退火，延伸率在20％以上，通过常规冲压成型工艺制成所需振膜形状和尺寸。振膜在真空中500℃/2～6h去应力退火，然后800℃/2～4h渗硼，最后表面抛光制成合格产品。性能见表3。
表3动圈扬声器振膜用钛合金性能
| 状态 | σb MPa | δ ％ | E GPa |
| 退火+时效 | 1200～1500 | 5～8 | 120～150 |
选用本发明钛合金振膜主要有以下四个方面的优点：1)加工性能好，厚度在50μm以下的钛合金箔材经过退火处理后可以获得良好的塑性，具有较好的成型性能；2)相对刚性好。本发明钛合金的弹性模量为E＝120-160GPa，密度为ρ＝4.66g/cm3，相对刚性E/ρ＝26-39×106m2/s2。相对刚性越大，高频响应性能越好，扬声器音质越好；3)耐蚀性好。音响制品使用的环境千差万别，家庭中潮湿的地方、海洋环境和大气污染严重的地方，其它金属振膜易于生锈，但本发明钛合金振膜可以解决这一问题；4)蠕变量小。振膜在通常情况下处于被磁力吸引的状态，因此如果蠕变量大，就有可能被磁极吸住，影响频率响应。总之，采用本发明钛合金振膜的高音扬声器可展宽高频区，功率大幅度提高，音质更为清晰明亮。
实施例2 水听器灵敏元件用基片材料
接收电压灵敏度是水听器灵敏元件设计时要考虑的关键指标之一，为此采用弯曲圆片的工作方式，具体结构见图5所示。基片与底座之间留有保护间隙，当外界静压力超过允许范围时，基片弯至底部达到自动保护。普通水听器灵敏元件中陶瓷片厚0.2mm，半径11.5mm，不锈钢基片厚0.2mm，半径12.5mm，水声器的谐振频率为12.1HZ，平均接收电压灵敏度为-195dB。采用本发明钛合金基片后，其灵敏度可提高10dB左右。
水听器灵敏元件用钛合金基片材料可选择Ti-10Mo-6V-3Sn-3Zr-5Al-0.35B合金，Ti-9Mo-6Cr-2Zr-3Al合金，Ti-12V-4Zr-2Sn-3Al-0.1B合金，常规真空自耗炉三次熔炼，制得成分均匀的圆型铸锭；采用常规开坯、热锻、冷轧工艺，轧制出0.2mm厚箔材。箔材经800℃/2h退火，其延伸率可达25％以上，通过常规冲压成型工艺制成所需形状和尺寸。基片在真空中550℃/2～4h去应力退火，然后600℃/1～2h渗氮成金黄色，即完成整个生产工序。性能见表4。
表4水听器灵敏元件用钛合金基片性能
| 状态 | σb MPa | δ ％ | E GPa |
| 退火+时效 | 1100～1400 | 5～10 | 110～130 |
实施例3压电触觉传感器用钛合金箔
图6所示为双压电膜片触觉传感器结构图。在两个压电膜片间放置铝箔，在膜片两侧再粘接由分布均匀的碳微粒组成的电阻层，而后分别以X和Y轴设置电极。如将接触物放在这种触觉传感器上，压力会使压电膜片产生电荷，并通过电阻层传递到X和Y轴电极。由于电阻层的作用，可通过不同电极上所接收的电荷量来判断物体的接触位置、重心、压力及表面光滑程度等。铝箔虽然加工性能好，但强度低、刚性差，使用中受力过大或受力时间过长，不容易返回原来位置，导致触觉灵敏性下降，甚至失灵；而选用本发明钛合金箔，不仅提高传感器的灵敏度，而且扩大了使用范围。
压电触觉传感器用钛合金可选用Ti-14V-3Cr-2Sn-2Zr-3Al-0.1B合金，Ti-15Mo-3V-2Zr-1Cr-3Al-0.1B合金，Ti-13Mo-2V-6Zr-2Sn-3Al合金，常规真空自耗炉三次熔炼，制得成分均匀的圆型铸锭；经常规开坯、热锻、冷轧工艺，轧制出25μm厚箔材。箔材经750℃/2h退火，其延伸率在20％以上，通过常规冲压成型工艺制成所需形状和尺寸。空气热处理炉中，箔片在500℃/2～4h将应力退火与大气氧化工艺结合在一起，制得高品质的钛合金压电膜片。性能见表5。
表5压电触觉传感器用钛合金性能
| 状态 | σb MPa | δ ％ | E GPa |
| 退火+时效 | 1100～1500 | 6～12 | 110～125 |
Claims (7)
1.一种高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于该钛合金振膜材料由下述金属元素组成：
V、Mo元素之一种或两种，重量含量为10％～17％；
Cr、Fe、Sn、Zr元素之一种或多种，重量含量为1％～13％；
Al、B元素之一种或两种，重量含量为0.1％～7％；
Ti元素，余量。
2.按权利要求1所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于：Mo 10～12％；V 2～5％；Zr 2～6％；Cr 1～3％；Sn 1～4％；Al 2～6％；B0.1～0.6％；Ti余。
3.按权利要求1所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于：Mo 12～16％；Zr 4～6％；Cr 2～3％；Al 3～4％；B 0.1～0.3％；Ti余。
4.按权利要求1所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜，其特征在于：V 10～15％；Zr 3～5％；Cr 2～3％；Sn 1～3％；Al 3～4％；B 0.1～0.2％；Ti余。
5.按权利要求1所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜的制备方法，包括真空熔炼、冷轧真空退火、热处理，其特征在于：
冷轧真空退火制度为：800～850℃/2h，空气冷却；
热处理制度为：700～850℃/5～60min，空气冷却；450～520℃/4～10h，空气冷却。
6.按权利要求5所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜的制备方法，其特征在于热处理之后进行渗硼，工艺条件为：800/1～2h，空气冷却。
7.按权利要求5所述高强度高刚性高成型性钛合金振膜的制备方法，其特征在于热处理之后进行渗氮，工艺条件为：600/1～2h，空气冷却。
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