[发明专利]一种Ti-Nb-Mo-O系高阻尼合金及其制备方法

说明书

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％，

O    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％。。

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匀后，放入高真空电弧熔炼炉进行熔炼，真空度低于10-1Pa，氩气保护；为了保证合金均匀化，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℃下保温2h；时效处理为在500℃下保温1h；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％-5.0％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％-5.0％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。

附图说明

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-23.0at.％Nb-2.0 at.％Mo-1.5at.％O；