[发明专利]一种亚稳β钛合金的成分设计方法

权利要求书

1.一种亚稳β钛合金的成分设计方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，利用第一性原理计算方法，建立Ti-Xi合金体系并计算其晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i，对比分析合金元素的加入对α相相稳定性和电子结构的影响，选取合金元素，确定目标研究体系；

具体计算方法如下：

Ⅰ建立Ti-X_i的合金体系：

在纯钛中加入元素周期表中的任一金属元素，建立Ti-X_i的合金体系，其中i＝1,2,……n；以铝作为合金元素X₁加入至纯钛中，形成Ti-X₁体系，

Ⅱ确定Ti-X₁的合金体系的晶格畸变能ΔE_LD、形成焓ΔH和电子功函数Φ：

计算其晶格畸变能ΔE_LD1和形成焓ΔH₁，具体计算过程如下：

通过得到的纯钛的平衡能量E₀(Ti)和Ti-X₁体系的平衡能量E₀(Ti-X₁)，利用公式(1)确定所述晶格畸变能ΔE_LD1：

ΔE_LD1＝E₀(Ti-X₁)-E₀(Ti).....................................(1)

计算所述Ti-X₁体系的晶格畸变能ΔE_LD1具体过程如下：

利用vesta软件搭建纯钛超晶胞模型和加入合金化元素X₁的Ti-X₁超晶胞模型，通过计算机集群中的VASP软件对所述的纯钛超晶胞模型和Ti-X₁超晶胞模型的体积依次按不同比例缩放，分别得到不同体积的纯钛超晶胞模型和Ti-X₁超晶胞模型；

所述缩放比例分别是0.96、0.98、1.00、1.02和1.04；

对得到的不同体积的纯钛超晶胞模型和Ti-X₁超晶胞模型进行静态计算；分别得到各不同体积纯钛超晶胞模型和Ti-X₁超晶胞模型静态下的总内能Ev和变形体积V；将得到的各不同体积纯钛超晶胞模型和Ti-X₁超晶胞模型的总内能Ev和变形体积V分别带入四参数Birch-Mürnaghan状态方程进行平衡状态性质的拟合，得到所述纯钛的平衡能量E₀(Ti)和Ti-X₁体系的平衡能量E₀(Ti-X₁)；

通过上述得到的Ti-X₁体系的平衡能量E₀(Ti-X₁)和合金元素X₁的平衡能量E₀(X₁)，利用公式(2)确定所述形成焓ΔH₁：

其中，是Ti-X₁体系中合金元素X₁的摩尔质量；

计算所述Ti-X₁体系形成焓ΔH₁的具体过程如下：

搭建合金化元素X₁的晶胞结构模型，通过计算机集群中的VASP软件对所述的合金化元素X₁的晶胞模型的体积依次按不同比例缩放，分别得到合金化元素X₁不同体积下的晶胞模型；所述缩放比例分别是0.96、0.98、1.00、1.02和1.04；

对合金化元素X₁不同体积下的晶胞模型进行静态计算，分别得到合金化元素X₁不同体积下的晶胞模型静态下的总内能Ev和变形体积V；

将得到的合金化元素X₁不同体积下的晶胞模型静态下的总内能Ev和变形体积V分别带入四参数Birch-Mürnaghan状态方程进行平衡状态性质的拟合，得到所述的合金化元素X₁的平衡能量E₀(X₁)；

利用第一性原理计算方法计算Ti-X₁体系的电子功函数φ₁；

Ti-X₁体系的电子功函数φ₁的计算公式为：

其中，α是由材料本身属性决定的固有常数，Ti-X₁合金的α＝1；r_s是电子体积有效半径；E_F是费米能量；

至此，确定了Ti-X₁体系的晶格畸变能ΔE_LD1、形成焓ΔH₁和电子功函数φ₁；

Ⅲ计算Ti-X_i体系中其余元素的晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i：

所述Ti-X_i体系中其余元素为元素周期表中除铝以外的金属元素；

重复所述Ⅱ，分别将所述Ti-X_i体系中其余元素逐个加入纯钛中，依次形成n-1个Ti-X_i体系，i＝2,3,……n，并按照所述Ⅱ中描述的计算方法，依次计算各Ti-X_i体系的晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i，直至得到所述n-1个Ti-X_i体系的晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i；

经过所述Ⅱ和Ⅲ，得到元素周期表中所有金属元素构成的Ti-X_i体系的晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i；

通过对比得到的元素周期表中所有金属元素构成的Ti-X_i体系的晶格畸变能ΔE_LDi、形成焓ΔH_i和电子功函数φ_i，选取合金元素，形成目标研究体系；

所述选取合金化元素的准则为：

ⅰ该元素的加入引起的晶格畸变能较小；

ⅱ Ti-X_i体系的形成焓绝对值较大；

ⅲ Ti-X_i体系的电子功函数较大；

步骤2，计算目标研究体系的屈服强度σ_0.2：

基于合金强化模型计算目标研究体系的屈服强度σ_0.2；

所述合金强化模型为：

σ_0.2＝K₁Φ⁶+C...................................................(4)

合金强化模型中K₁和C为常数项，其中K₁＝-1.0653，C＝5076.19251；

该合金强化模型中起主要作用的是目标研究体系的电子功函数Φ；所述目标研究体系的电子功函数Φ的计算公式如下：

Φ＝∑z_kφ_k...................................................(5)

其中，Φ是目标研究体系的电子功函数；z_k是k元素的摩尔质量，φ_k是Ti-K体系的电子功函数；

通过所述合金强化模型得到目标研究体系中屈服强度σ_0.2大于1200MPa的合金的电子功函数Φ和屈服强度σ_0.2；

步骤3，基于Mo当量和d电子理论设计准则进行成分校核：

所设计的合金要满足Mo当量为9～11，通过Mo当量计算公式确定Mo当量；

所设计的亚稳态β钛合金的和应分别控制在2.30～2.42内和2.75～2.82内；目标研究体系的值和值的计算公式如下：

式中：a_k为k元素的原子百分比，(Md)_k和(Bo)_k分别为k元素的Md值和Bo值；Md值为所述任一合金元素的d轨道能，与电荷的转移有关，表现了合金元素的的电负性特征；是目标研究体系中各合金元素Md值的平均值；Bo值为原子之间电子云的重迭，是原子间共价键强度的度量；是目标研究体系中各合金元素Bo值的平均值；

步骤4，熔炼铸锭，并进行机械处理，测试其屈服强度，验证设计的准确性：

按满足屈服强度要求的合金的具体化学成分进行配料，并利用真空自耗熔炼炉按常规方法制备重量大于20公斤的铸锭，开坯锻造之后进行固溶时效热处理，测试所述合金的屈服强度，验证设计结果的正确性，完成亚稳β钛合金的设计。

2.如权利要求1所述亚稳β钛合金的成分设计方法，其特征在于，所述步骤3中屈服强度大于1200MPa的合金的Mo当量均为9～11，值均为2.30～2.42，值均为2.75～2.82。