一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金的制作方法

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钛合金。

背景技术

高纯钛具有银灰色光泽,密度为4.51g/cm³，属于轻金属。钛的熔点较高，能在高温条件下保持较高的比强度。钛合金的工作温度范围较宽，低温钛合金在-253℃时，仍能保持良好的塑性。耐热钛合金的工作温度可达550℃左右。钛是高新技术不可或缺的关键材料，社会的现代化程度越高，钛用量就越大。世界范围内，用钛量的多少是一个国家发达程度的标志。我国的钛工业也得到了空前的发展，钛及其合金已应用于生活的各个领域。

化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业，是使用钛铸件的最早行业。钛在各种浓度的硝酸、铬酸中都很稳定。此外，纯钛在碱溶液和大多数有机酸化合物中的抗蚀性也很高。钛的突出特点是不发生局部腐蚀，一般为均匀腐蚀。由于钛铸件的应用，化工工业不仅可以获得可观的经济效益，而且能为长时间维持工厂的正常运转提供强有力的保障。

航空航天工业的发展离不开高性能合金，这些合金包括铝合金、钛合金和高温合金(镍基合金)。铝合金主要用于飞机蒙皮、结构件等，主要是室温和较低温度下的受力零件;钛合金主要用于550℃及以下温度、承受较高载荷的零件;高温合金主要用于航空发动机高温部分零件，比如发动机叶片等。汽车工业也是一个潜力巨大的钛制品市场,且随着各种制造工艺的不断发展，对回收材料加以充分利用，成本逐年下降，钛合金已开始应用于民用轿车生产中。此外,钛易于阳极化而呈各种颜色，根据这一特征将其应用于建筑、手表和珠宝业。在手表行业中，常采用硬度高的钛合金经氮化处理后以提高硬度。同时，钛的一个优势在于对皮肤没有过敏反应。目前钛手表已持续降低成本，并不断加以推广。

材料是人类社会赖以生存的物质基础，纵观人类发展的历史，每种重要新材料的发现和应用都把人类改造自然的能力提升到一个新的水平。在科技日新月异的当代社会，每一项重大科技的突破也很大程度上都是依赖于相应的新材料的发展。新材料是现代科技发展之本，现阶段高新技术的发展往往以新材料技术为突破。考虑到钛合金的应用领域和使用量，可以说新型钛合金材料的开发和应用，在某种程度上代表着一个国家的科技水平。

随着当今世界的发展以及人民生活水平的提高，对高性能钛合金材料以及使用于极端环境先进钛合金材料的需求也越来越多。可以预见的是钛基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。进行合金新材料的创新离不开合金结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金。按重量百分比计,合金的组成为li:1.5-1.8wt.%,al:10.0-12.0wt.%,sc:0.1-0.2wt.%,sb:2.0-3.0wt.%,in:1.2-1.5wt.%,mn:4.0-6.0wt.%,fe:5.0-6.2wt.%,ta:0.2-0.3wt.%，余量为钛。

上述一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：360-380度固溶处理1.5小时,随后空冷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）对于钛合金而言,平衡态下为非相的合金成分由于在凝固过程中的动力学因素而使得在凝固和热/冷加工后呈现出单相的钛合金称为亚稳钛合金。亚稳钛合金可以通过弥散强化获得很高的强度，此外还具有优异冷热成型性、深淬透性及良好的抗腐蚀性等优点，这些特点使其在航空工业中具有重要应用价值。但是目前国内外产业化的亚稳钛合金存在凝固温度范围太窄导致凝固缺陷明显，在使用过程中时效现象显著而使得合金力学性能大幅度变化的缺点，以及该合金的阻尼能力太低而不能满足减震降噪的场合需求。本专利申请保护的新型亚稳钛合金就是为了解决这些行业难题而通过采用先进的材料学技术进行设计的最新成果。

（2）现有的大部分亚稳钛合金为了使相在凝固或者热处理后稳定地保留到室温，一般要加入较多的mo，v，zr等稳定元素。但稳定元素含量多时又容易造成熔炼困难、成本升高、偏析加剧等缺点。本专利申请保护的钛合金除了具有优异的力学性能外，还通过不采用昂贵稳定元素（mo，v，zr等）来进行相的动力学稳定化。值得强调的是，mo，v，zr等元素是通过对ti的相热力学稳定化来发挥作用的。此外，通过大量使用廉价元素的优化组合，可以保持钛的密度维持在常见钛合金的数值范围内，因而在大大降低材料成本的同时，为多种领域大规模使奠定了成本基础。

（3）传统的亚稳钛合金在浇铸后的铸件中存在大量非常细小气孔，这类缺陷会使铸件的力学性能显著降低，并需要大量的热加工变形来进一步消除铸造的气孔和疏松。由于钛合金最终要进行各种形式的精密铸造和锻造成型，合金的铸造性能对产品质量具有非常重要的影响。此外，很多企业被铸件中的气孔、砂眼、缩松、夹渣、裂纹等多种铸造问题困扰，影响了生产的正常秩序，增加了生产成本。本专利申请保护的新型钛合金，由于具备了大的凝固温度范围（1420-1580度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而本专利提供的亚稳钛合金能够克服传统亚稳钛合金铸造过程中出现的技术难题，所得合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。

（4）沉淀强化是亚稳合金主要的强化手段，然而当合金中稳定元素含量较高时，由于相变驱动力较大，在较低的温度时效时往往需要比较短的时间就能导致其它相的析出，严重的影响到了合金的结构稳定性以及服役时的性能稳定性。本专利申请保护的新型亚稳钛合金具有优异的力学性能：屈服强度为1000-1120mpa，抗拉强度为1240-1380mpa，延伸率为10-14%。且该合金在150度以下的温度范围内使用5年以上没有发现明显的力学性能退化现象，因而具有极其优异的时效稳定性。此外由于进行了材料学的优化，具有优异的阻尼性能：sdc=25-30%，传统钛合金材料为sdc=8-12%左右。本发明可用于制造在使用温度为200度以下结构件并具有极其显著的轻量化和减振效果，具有巨大的市场前景。

具体实施方式

实施例1

一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金。按重量百分比计，合金的组成为li:1.5wt.%,al:10.0wt.%,sc:0.1wt.%,sb:2.0wt.%,in:1.2wt.%,mn:4.0wt.%,fe:5.0wt.%,ta:0.2wt.%，余量为钛。上述一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：360-380度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1420-1580度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而本专利提供的亚稳钛合金能够克服传统亚稳钛合金铸造过程中出现的技术难题，所得合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。该合金具有优异的力学性能：屈服强度为1050mpa，抗拉强度为1260mpa，延伸率为12%。且该合金在150度以下的温度范围内使用5年以上没有发现明显的力学性能退化现象，因而具有极其优异的时效稳定性。此外由于进行了材料学的优化，具有优异的阻尼性能：sdc=28%，传统钛合金材料为sdc=8-12%左右。

实施例2

一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金。按重量百分比计，合金的组成为li:1.8wt.%,al:12.0wt.%,sc:0.2wt.%,sb:3.0wt.%,in:1.5wt.%,mn:6.0wt.%,fe:6.2wt.%,ta:0.3wt.%，余量为钛。上述一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：360-380度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1420-1580度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而本专利提供的亚稳钛合金能够克服传统亚稳钛合金铸造过程中出现的技术难题，所得合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。该合金具有优异的力学性能：屈服强度为1060mpa，抗拉强度为1290mpa，延伸率为13%。且该合金在150度以下的温度范围内使用5年以上没有发现明显的力学性能退化现象，因而具有极其优异的时效稳定性。此外由于进行了材料学的优化，具有优异的阻尼性能：sdc=26%，传统钛合金材料为sdc=8-12%左右。

实施例3

一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金。按重量百分比计，合金的组成为li:1.6wt.%,al:10.5wt.%,sc:0.1wt.%,sb:2.5wt.%,in:1.3wt.%,mn:4.2wt.%,fe:5.8wt.%,ta:0.2wt.%，余量为钛。上述一种具有高阻尼特性和时效稳定性的亚稳β钛合金，包括如下步骤：原材料采用海绵钛，合金元素以纯金属或中间合金的形式加入。合金原料经配料和混料后，用压机压制成小电极。将若干支小电极组焊在一起，放入氩气保护自耗炉中熔炼3次。在最后的一次熔炼过程中，将钛合金熔体在氩气保护炉内浇铸出炉；合金浇铸采用直径100-150mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将铸棒在室温下采用精锻机进行锻造，每道次的压下量为4-6%；每3道次间进行一次中间退火，温度为500-540度，1.5个小时；可以采用多次锻造，直到锻棒直径在40-60mm之间；最后的热处理制度为：360-380度固溶处理1.5小时,随后空冷。

该合金由于具备了大的凝固温度范围（1420-1580度），在凝固过程中枝晶间的空隙得到有效的补偿，因而铸件的密度高。该合金且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。因而本专利提供的亚稳钛合金能够克服传统亚稳钛合金铸造过程中出现的技术难题，所得合金铸锭表面光亮，填充性能好，显微组织显示合金内部干净，无夹杂，很少气孔。铸锭基本为等轴晶，偏析不严重。该合金具有优异的力学性能：屈服强度为1100mpa，抗拉强度为1290mpa，延伸率为13%。且该合金在150度以下的温度范围内使用5年以上没有发现明显的力学性能退化现象，因而具有极其优异的时效稳定性。此外由于进行了材料学的优化，具有优异的阻尼性能：sdc=29%，传统钛合金材料为sdc=8-12%左右。