[发明专利]一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高阻尼钛合金及其制备方法，更具体地说，涉及一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法。

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精度和使用寿命。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，进一步的恶化就可能导致机身材料破坏、断裂，从而导致战斗机解体。因此，近年用于振动和噪声控制的阻尼合金颇受世界各发达国家所重视，并发展迅速。

近年，产生了一种基于Snoek弛豫机制的新型高阻尼合金——Ti-Nb系高阻尼合金。根据Snoek弛豫理论，体心立方结构（bcc）合金在外应力作用下，八面体间隙中的小半径原子（C、N和O等）会定向地向近邻八面体间隙位置运动，并在此过程中造成能量耗散。因为该扩散过程可重复发生而不破坏合金中的相结构，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更长久。

粉末冶金的烧结分为固相烧结、瞬时液相烧结、液相烧结。粉末冶金工艺作为材料制备的一种重要手段，具有材料利用率高，材料组织细小均匀可控，易实现近净成形等优点，是制造高性能、低成本钛合金的理想工艺，从而达到提高产品质量、延长使用寿命、节约资源和能源的目的。因此，选择粉末冶金的工艺方法制备高阻尼钛合金，可显著改善高阻尼钛合金成型工艺，是高阻尼钛合金领域的一个重要突破。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金及其粉末冶金制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种Ti-Nb-O高阻尼钛合金，其中金属元素按照原子百分比（即原子摩尔百分比）由25%的Nb、1.5%的O和Ti（余量）组成，按照下述步骤进行制备，最终获得亚稳β型高阻尼钛合金：

（1）原材料的称量，采用高纯Ti粉、高纯Nb粉、高纯TiO₂粉按照Ti-25Nb-1.5O（at%）的配比

（2）使用球磨机对称量的原材料进行球磨混料，球料比为2：1，球磨速率为110rpm-220rpm，球磨时间为2h

（3）将球磨好的粉末进行冷压成型，其冷压成型压强为500MPa，时间为5min

（4）将冷压好的压坯放进管式炉进行真空烧结，其烧结温度为1200℃-1250℃，烧结时间为5h

本发明的技术方案首先采用高纯的原料（分析纯在99.999%以上），采用粉末冶金的方法进行制备，将球磨好的合金粉末进行冷压成型，获得一定的结合强度，再利用固相烧结方法进行真空烧结，使得各种元素进行充分扩散，获得致密的、组织均匀的高阻尼钛合金。本发明高阻尼钛合金可以在200-350℃的温度范围内使用，具有阻尼值高和力学性能良好等优点，可以作为制备高阻尼材料的方法加以开发利用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）与熔炼方法相比，本发明采用粉末冶金方法，工艺简单，工业生产过程中比较容易实现，大大降低了生产成本；经过熔炼方法制造的合金塑性成形性能不好，难于加工成所需要的形状。采用粉末冶金的方法可以任意改变模具的形状，使合金的形状和尺寸可以任意调节，无需后续加工，就可以直接生产出所需要的零件成品。

（2）本发明采用粉末冶金方法，可获得组织均匀的β型(体心立方结构)高阻尼钛合金，如附图1中XRD谱线所示。

（3）DMA测试表明：球磨转速为110rpm和烧结温度为1200℃时的阻尼特性最为理想，在频率为1.0HZ时阻尼值Q^-1达到0.0603（见附图2（a））。

（4）综合性能良好：采用110rpm-220rpm、2h的球磨混料，500MPa、5min的冷压成型，1200℃-1250℃、5h的真空烧结制备的Ti-25Nb-1.5O高阻尼钛合金，其阻尼值达到0.04-0.06，抗压强度达到1300-1400MPa。

附图说明

图1为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金的X-ray衍射图谱，其中β相为合金主要组成相。

图2为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金在不同频率下的阻尼性能和杨氏模量曲线。

图3为采用不同工艺参数粉末冶金方法制备的Ti-25Nb-1.5O（at%）高阻尼钛合金的压缩应力-应变曲线。

具体实施方式