专利名称：一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及应用于机械领域的高阻尼合金。该高阻尼钛合金依靠氧原子在β相结构中的扩散过程获得良好的阻尼特性，依赖合金化元素添加保证其力学性能。该合金可以应用在较高的温度环境中及对振动和噪声控制有严格要求的设备中，例如精密仪器仪表、飞机结构件、紧固件等。
背景技术：
伴随现代工业的飞速发展，各种机械设备要求更高的使用精度和更长的使用寿命，而振动和噪声会严重影响设备的使用寿命和使用精度。例如，战斗机作为一种超高速飞行的航空器，其发动机高速运转时会产生巨大的振动能，这会加速发动机的性能恶化甚至导致其他零部件性能恶化；战斗机在超音速飞行过程中机身具有巨大的振动能，这有可能导致机身材料断裂，从而导致战斗机解体。因此，近年用于控制振动和噪声的阻尼合金为世界各发达国家所重视，并发展迅速。β相钛合金中，氧原子在扩散的过程中会造成阻尼效应。因为该扩散过程可重复发生而不破坏合金中β相，所以这种阻尼合金具有可重复使用性，其使用寿命有望比其他类型阻尼合金大大延长。因为钛合金中β相属于亚稳定相，所以需要添加β相稳定化元素来保证钛合金基体为稳定的β相结构。Nb、Mo元素是两种稳定化能力较高的β相稳定化元素。添加适量的Nb、Mo元素可以很好的促进β相稳定存在，这有助于提高钛合金的阻尼特性；同时合金元素的添加还可以促进合金力学性能的提高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明基于氧原子扩散过程开发一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金，通过添加适量β相稳定化元素使合金获得良好的阻尼特性和力学性能。为了解决上述技术问题，本发明予以实现的技术方案是本发明一种Ti-Nb-Mo-O 系高阻尼合金，按原子百分比计，合金化学成分如下Ti 73. 5%,Nb 15.0% 23.0%，Mo 2.0% 10.0%，0 1.5%。本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的一个优选方案是，其中，Mo的原子百分比含量为 3.5% -5.0%。本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的一个优选方案是，其中，Nb的原子百分比含量为 20. 0% -21. 5%οο本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的制备方法，包括以下步骤第一步按照组分及含量要求将所有原料混合均勻后，放入高真空电弧熔炼炉进行熔炼，真空度低于10-lPa，氩气保护；为了保证合金均勻化，重熔次数不低于五次；然后，水淬冷却至室温；第二步在高真空热处理炉中进行固溶处理和时效处理，其中，固溶处理为在850°C下保温 2h ；时效处理为在500°C下保温Ih ；然后，随炉冷却至室温。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金制备方法工艺简单，容易实现工业化生产； 当Mo元素的原子百分比含量为3. 5% -5. O%时，合金的阻尼特性最为理想；添加Nb、Mo元素之后，具有良好的力学性能，本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金杨氏模量达到120GPa左右。经过在TA-Q800型动态力学分析仪(DMA)上进行测试，本发明合金中Nb原子百分比含量为20.0% -21.5%，Mo原子百分比含量为3.5% _5. O%时，合金具有最佳的综合性能。本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金属于β相钛合金，阻尼特性源于氧原子在β相基体中的扩散过程。在该过程中，影响阻尼特性的关键因素包括(1) β相基体的体积分数，增大β相所占比例有利于氧原子扩散；(2)氧原子个数，氧原子个数较多时参与扩散过程的氧原子数目也会增多；(3)体心立方晶格的晶格常数，晶格常数变小时会增加氧原子扩散难度。本发明通过添加适量的Nb、Mo元素既可以增强β相稳定性也不会导致晶格常数大幅变小，因此，本发明的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金既可以获得良好的阻尼特性，又能保证良好的力学性能。综上，本发明以氧原子扩散过程为依据，用真空电弧熔炼制备出Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金。通过添加适量Nb、Mo元素，并经过高真空热处理，有效增强了钛合金β相稳定性，从而获得了良好的阻尼特性和力学性能。
图1是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金X-ray衍射图谱；其中(a)的合金化学成份为73. 5at. % Ti-23. Oat. % Nb-2. O at. % Μο_1· 5at. % O ；(b)的合金化学成份为 73. 5at. % Ti-21. 5at. % Nb_3. 5. at. % Mo_l. 5at. % O ；(c)的合金化学成份为 73. 5at. % Ti-20. Oat. % Nb_5. 0. at. % Mo_l. 5at. % O ；(d)的合金化学成份为 73. 5at. % Ti-18. 5at. % Nb_6. 5. at. % Mo_l. 5at. % O。图2是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金在1. OHz时的阻尼曲线。图3是本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金在1. OHz时的杨氏模量。
具体实施例方式为了提供良好的阻尼特性和力学性能，本发明采取了以下措施(l)Nb、Mo是β相稳定化元素，Nb、Mo元素添加可以明显提高钛合金中β相稳定性，抑制α相及马氏体相产生，从而确保氧原子扩散过程可以实现。(2)严格控制Mo元素含量——不低于2. Oat. %，不超过10. Oat. % (原文中是 8. Oat. %，但权利要求中是10. Oat. % )，Mo元素含量过低时，β相稳定化效果较小，对合金相组成没有明显影响；Mo元素含量较高时，由于Mo元素原子半径远小于Ti、Nb元素原子半径，过多的Mo会导致晶格常数变小，氧原子扩散过程受阻。(3)采用合适的热处理工艺，由于合金是在熔炼阶段经过多次重熔，能够保证合金成分基本均勻，因此，只进行固溶处理和时效处理，无需再进行均勻化处理，这样可以避免合金在均勻化处理(> 1050°C )时晶粒严重长大。以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。选取高纯度原料纯Ti块(99. 99wt. % )、纯Nb丝(99. 99wt. % )、纯Mo丝 (99. 99wt. % )及 TiO2 粉末(99. 99wt. % )。原材料处理按照HF HNO3 HO2 = 1 2 47来配制酸洗液，对块状和丝状的各种纯原料进行酸洗处理，去除表面氧化皮，并用超声波进行清洗；把粉末状TiO2压成薄片。按照表1所述合金成份配料。表ITi-Nb-Mo-O系高阻尼合金主要成分(原子百分比，at. % )
权利要求
1.一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计，合金化学成分如下Ti 73. 5%,Nb 15.0% 23.0%，Mo 2.0% 10.0%，0 1.5%。
2.根据权利要求1所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计， Mo的含量为3. 5% -5. 0%。
3.根据权利要求1所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金，其特征在于，按原子百分比计， Nb 的含量为 20. 0% -21. 5%0
4.根据权利要求1至3中任一所述的Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步按照组分及含量要求将所有原料混合均勻后，放入高真空电弧熔炼炉进行熔炼，真空度低于ΙΟ-lPa，氩气保护；为了保证合金均勻化，重熔次数不低于五次；然后，水淬冷却至室温；第二步在高真空热处理炉中进行固溶处理和时效处理，其中，固溶处理为在850°C下保温2h ；时效处理为在500°C下保温Ih ；然后，随炉冷却至室温。
全文摘要
本发明公开了一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金，按原子百分比计，合金化学成分为Ti73.5％，Nb15.0％～23.0％，Mo2.0％～10.0％，O1.5％。本发明高阻尼钛合金中添加了Nb、Mo两种β相稳定化元素及O原子，这种Ti-Nb-Mo-O系合金属于β相钛合金。本发明Ti-Nb-Mo-O系高阻尼钛合金的制备方法采用真空电弧法至少反复熔炼五次，制备出合金锭后进行热处理；氧原子固溶存在于β相中；通过添加Nb、Mo元素以增强合金中β相(体心立方结构)基体的稳定性；合金的阻尼值较高、力学性能良好等。本发明高阻尼钛合金可以在200℃至300℃宽达100℃的温域范围内使用，具有阻尼值高、有效阻尼温度区间较宽和力学性能良好等特性。
文档编号C22C14/00GK102409196SQ20111040046
公开日2012年4月11日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者余黎明, 殷福星, 王志威 申请人:天津大学