一种低成本高阻尼钛合金及其制备方法

本发明涉及钛合金材料的热处理及制备，具体涉及一种低成本高阻尼钛合金及其制备方法。

背景技术：

1、飞行器和武器装备的发展日趋高速化和大功率化，受发动机和高速气流激励带来的振动和噪声问题尤为突出，对高性能阻尼材料提出更迫切的实际需求。钛合金因比强度高、耐腐蚀、使用温度宽等特点而受到航空航天领域的重点关注。目前，关于高阻尼钛合金材料的研究主要可分为两类：以热弹性马氏体相变为主的niti系阻尼钛合金，和以sneok弛豫耗散理论为主的tinbo系阻尼钛合金。

2、niti系阻尼钛合金具有优异的形状记忆性、超弹性和良好的阻尼性能，在医疗、航空、航天等领域具有广泛应用。然而，niti系合金中热弹性马氏体相变对温度变化非常敏感，由温度变化而导致性能不稳定性，且仅能应用在低温和室温环境下。另外，niti系合金存在成本高和加工难度大，以及易疲劳现象等问题严重限制了其应用范围。

3、sneok弛豫耗散理论为主的tinbo系阻尼钛合金的物理机制是在交变应力作用下，间隙原子在体心立方晶体中不同位置往复跃迁消耗能量而产生动滞后型内耗，从而产生阻尼效应，打破了niti系合金对温度敏感的难题，以及提高了阻尼钛合金的使用温度范围。但是，现有snoek型高阻尼钛合金含有大量β稳定元素nb和间隙原子o，其中高nb合金化元素成本昂贵，而高o元素的添加降低了材料的加工变形能力，造成该类型高阻尼合金的制备加工难度高、流程长和成本高等难题，是snoek型高阻尼钛合金应用受限的主要原因。因此，创新发展新一代低成本高性能snoek型阻尼钛合金，以及开发相关的短流程制备加工技术具有重要基础研究和实际工程意义。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种构思合理，能获得具有综合优异性能的高阻尼钛合金材料，可大幅降低了高氧钛合金的实际生产难度，同时结合短流程工艺降低了合金成本，适合推广应用到工业生产的低成本高阻尼钛合金及其制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种低成本高阻尼钛合金，其由以下质量百分数的元素组成: fe:2.0~2.5%，cr：1.5~2.2%，mo：1.5~3%，o：0.7~0.9%，余量为ti。

3、所述低成本高阻尼钛合金，其中：所述合金的抗拉强度≥800mpa，屈服强度大于等于650mpa，均匀延伸率大于等于25%，断裂延伸率≥30%。

4、所述低成本高阻尼钛合金，其中：所述合金的阻尼性能峰值超过0.05，峰值温度范围为220~260°c，半高峰宽为80~160°c。

5、一种低成本高阻尼钛合金的制备方法，其主要包括以下步骤：

6、(1)铸锭熔炼

7、将原料混合均匀后采用真空熔炼方法制备得到成分均匀的高阻尼钛合金材料铸锭；

8、(2)开坯锻造

9、将上述步骤(1)中制备的高阻尼钛合金材料铸锭的表面进行机械磨削加工，之后将机械磨削加工后的样品置于热处理炉中并向热处理炉中流动通入氩气，将样品加热至目标温度t0并保温时间为t0，然后再进行镦粗拔长处理并进行定型盘整，之后在空气中进行冷却，以获得目标厚度为d0的板材坯料；

10、(3)梯度高温处理

11、将上述步骤(2)中得到的板材坯料的表面进行机械磨削加工，然后将机械磨削加工后的板材坯料置于热处理炉中并向热处理炉中流动通入氩气，在热处理炉中将板材坯料加热至目标温度t1并保温时间为t1，然后按目标冷却速率ν1随热处理炉冷却至目标温度t2和保温时间为t2，取出板材坯料在空气中冷却；

12、(4)轧制加工处理

13、(4.1)中温轧制

14、将上述步骤(3)梯度高温处理后的板材坯料直接放入温度为t3的热处理炉内，往热处理炉内通入氩气并保温时间为t3，然后进行一道次中温轧制加工处理，压下量为△ d，再次放入热处理炉中保温，循环往复保温与轧制的步骤，直至总轧下量为d0的一半后，即累计轧下量为50%，将得到的轧制板材在在空气中冷却；

15、(4.2)室温轧制

16、将上述步骤(4.1)中得到的轧制板材，按照每道次轧制的压下量为△ d在室温条件下进行往复轧制处理，直至总轧下量为80~95%，获得高阻尼钛合金初级轧制板材；

17、(5)退火处理

18、将上述步骤（4.2）中获得的高阻尼钛合金初级轧制板材置于温度为t4的热处理炉中并通入流动氩气，在保温时间为t4之后将板材取出进行冷却并关闭流动氩气，对冷却后获得的板材表层进行去污处理， 最终得到低成本高阻尼钛合金材料。

19、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中:所述步骤（2）中的温度t0为1100°c~1200°c，保温时间t0为6h~8h。

20、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中：在所述步骤(3)的梯度高温处理前，须对板材坯料进行热膨胀分析获得该合金的α与β同素异构转变温度tα/β，梯度高温处理中t1=(tα/β+20~80)°c，t2=(tα/β-10~60)°c，同时保温时间t1为10min~60min，t2为20min~120min，而t1随炉冷却至t2的速率ν1为1~5min/°c。

21、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中：所述步骤(4.1)的中温轧制过程的温度t3为580~640°c，保温时间为t3为3~20min；且每道次轧制前板材坯料的厚度为 dj，每道次的压下量△ d= dj * (2%~5%)。

22、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中：所述步骤(5)中退火处理中的目标温度t4=(tα/β-30~200)°c，保温时间t4为5~120min。

23、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中：所述步骤（1）中的真空熔炼方法包括真空悬浮熔炼、真空自耗熔炼和真空非自耗熔炼。

24、所述低成本高阻尼钛合金的制备方法，其中：所述步骤（2）中的镦粗拔长处理是利用快锻机进行多道次的锻拔处理，先将高度方向锻压变形，随后将宽度方向锻压变形，再将长度方向锻压变形，往复多次以细化晶粒。

25、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

26、本发明低成本高阻尼钛合金中兼顾采用高β稳定能力的共析型和同晶型合金化元素，有意避开低β稳定能力的元素。在选取共析型β稳定元素时，考虑到共析型元素与钛发生共析反应的速度差异大，避开活性共析型元素si、cu、ni等，因其共析反应速度快，β稳定效果差。作为非活性共析型元素的fe和cr，均具有较强的β稳定能力，其中fe元素成本低廉，但其过多添加容易产生偏析，应控制含量在低于3%；而cr元素是应用最广泛的β稳定元素之一，同样具有较强的β稳定能力，但过量添加会析出化合物而导致塑性降低，同样应控制其含量。而采用fe和cr的同时少量添加，既可以利用它们的强β稳定能力，又可避免其非益效果。而同晶型β稳定元素mo、v、nb等，具有与钛接近的原子半径和相同的晶格结构，可以实现在β相中无限互溶，可显著提高合金的强度和淬透性，但合金元素成本较高，平衡β相的稳定能力与合金化成本，最终选取添加少量mo元素，即可兼顾同晶型元素的优点，又不至于大大提高合金的成本。间隙原子o元素的添加主要是基于snoek弛豫阻尼效应的考虑。同时未添加α稳定元素al，主要是o具有更强的α稳定元素效果，使用o替代al降低了合金的成本，同时减少真空熔炼时元素挥发。最后，基于钛合金 d电子设计理论中计算方法，结合不同合金稳定性下的塑性变形方式的差异，确定fe、cr、mo、o等合金化元素添加范围，并进行了相关实验验证。

27、本发明不仅利用添加高o元素获得了高阻尼钛合金材料，而且解决了高o添加量合金的难加工和低变形能力问题。基于snoek弛豫耗散理论，其关键核心点是间隙元素o的添加，而传统合金设计时认为o在钛合金中是有害元素，显著提高合金的裂纹扩展能力和降低合金的塑性。本发明在合金成分设计时，通过调控合金化元素的添加量，改变基体β相的塑性变形方式，引入应力诱发形变孪晶，利用其动态细晶强化而提高合金的变形能力，同时可以缩短了传统钛合金的热加工流程。

28、本发明低成本高阻尼钛合金的制备方法构思合理、流程简单，为一种高阻尼钛合金的短流程制备加工方法，通过梯度高温析出控制和中温轧制处理工艺相耦合，利用形变诱导孪晶动态细化晶粒的机制，并优化了α析出相的空间分布、含量、形貌等参数，调控再结晶晶粒以及异质界面的含量，制备出具有异质组织结构的低成本高阻尼钛合金材料。在制备过程中，形变诱导孪晶的出现增强了高氧含量钛合金的塑性变形能力，提高了合金的冷热加工能力。在加工变形过程中，异质组织诱导产生额外加工硬化效应，同步提高了合金的强度和塑性。另外，通过优化钛合金合金化元素的选取和调节元素的含量，如fe为2.0~2.5%，cr为1.5~2.2%，mo为1.5~3%以及o为0.7~0.9%，不添加元素al，余量为ti等，通过短流程制备加工方法，解决了现有技术中高含氧量snoek型高阻尼钛合金的高成本和难加工的技术瓶颈问题。

29、本发明的制备方法利用梯度高温处理和轧制加工处理的结合，通过调节α析出相的空间分布、含量及形貌等因素变量，引入异质变形诱导加工硬化大大提高了合金的塑性变形能力，同样也可以缩短高阻尼钛合金的加工流程。

30、利用利用本发明的制备方法制得的低成本高阻尼钛合金材料具有优异的综合力学性能和阻尼性能； 该低成本高阻尼钛合金材料的抗拉强度≥800mpa，屈服强度≥650mpa，均匀延伸率≥25%，断裂延伸率≥30%，表现出优异的强度与塑性匹配关系；该低成本高阻尼钛合金材料的阻尼性能（tanδ）峰值超过0.05，峰值温度范围为220~260°c，半高峰宽为80~160°c，具有优异的阻尼性能和宽温域服役环境。

31、利用本发明的制备方法制得的低成本高阻尼钛合金材料通过调节α析出相的含量从而改变β相的基体的稳定性，该β相的基体在应力诱导下可发生形变孪晶塑性变形。

32、利用本发明的制备方法制得的低成本高阻尼钛合金材料经高温梯度处理后，在轧制过程中β相的基体存在应力诱发相变或形变孪晶的现象，该现象在加工过程中起到动态细化晶粒的效果，显著降低了该合金的变形抗力，以及提高了低成本高阻尼钛合金的组织细化的效率。

技术特征：

1.一种低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于:所述步骤（2）中的温度t0为1100°c~1200°c，保温时间t0为6h~8h。

3.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)的梯度高温处理前，须对板材坯料进行热膨胀分析获得该合金的α与β同素异构转变温度tα/β，梯度高温处理中t1=(tα/β+20~80)°c，t2=(tα/β-10~60)°c，同时保温时间t1为10min~60min，t2为20min~120min，而t1随炉冷却至t2的速率ν1为1~5min/°c。

4.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(4.1)的中温轧制过程的温度t3为580~640°c，保温时间为t3为3~20min；且每道次轧制前板材坯料的厚度为dj，每道次的压下量△d=dj * (2%~5%)。

5.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中退火处理中的目标温度t4=(tα/β-30~200)°c，保温时间t4为5~120min。

6.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的真空熔炼方法包括真空悬浮熔炼、真空自耗熔炼和真空非自耗熔炼。

7.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的镦粗拔长处理是利用快锻机进行多道次的锻拔处理，先将高度方向锻压变形，随后将宽度方向锻压变形，再将长度方向锻压变形，往复多次以细化晶粒。

8.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的低成本高阻尼钛合金材料由以下质量百分数的元素组成：fe:2.0~2.5%，cr：1.5~2.2%，mo：1.5~3%，o：0.7~0.9%，余量为ti。

9.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的低成本高阻尼钛合金材料的抗拉强度≥800mpa，屈服强度≥650mpa，均匀延伸率≥25%，断裂延伸率≥30%。

10.如权利要求1所述的低成本高阻尼钛合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的低成本高阻尼钛合金材料的阻尼性能峰值超过0.05，峰值温度范围为220~260°c，半高峰宽为80~160°c。

技术总结
本发明提供了一种低成本高阻尼钛合金及其制备方法，该合金由以下质量百分数的元素组成:Fe:2.0~2.5%，Cr：1.5~2.2%，Mo：1.5~3%，O：0.7~0.9%，余量为Ti。该制备方法包括以下步骤：(1)铸锭熔炼；(2)开坯锻造；(3)梯度高温处理；(4)轧制加工处理：(4.1)中温轧制，(4.2)室温轧制；(5)退火处理。本发明构思合理，不仅获得了具有综合优异性能的低成本高阻尼钛合金材料，而且大幅降低了高氧钛合金的实际生产难度，同时结合短流程工艺降低了合金成本，适合推广应用到工业生产。

技术研发人员：任磊,魏延鹏,涂欢,董承,郭雅悰,路玲玲
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23