[发明专利]一种亚稳β钛合金的成分设计方法

说明书

一种亚稳β钛合金的成分设计方法，以第一性原理计算为核心，并结合Mo当量、d电子理论、屈服强度校核进行亚稳β钛合金的成分设计。第一性原理是从原子层次进行合金设计，获得宏观上高性能的材料，但是从原子尺度直接到宏观尺度，跨度太大，导致模拟或计算结果与实际情况相差较大。故本发明同时还采用了Mo当量、d电子理论、屈服强度校核的方法。其中基于Mo当量和d电子理论的成分校核主要是基于相稳定性，这一尺度在第一性原理的原子尺度到屈服强度测试的宏观尺度之间起到了承上启下的作用。这种有效的尺度跨越，实现了原子尺度到宏观尺寸的有效跨越，提高了该设计方法的准确性，同时实现了新型材料研发成本的降低和研发效率的提高。

技术领域

本发明属于钛合金技术领域，涉及一种亚稳β钛合金的成分设计方法。

背景技术

亚稳β型钛合金是淬火至室温后能够全部保留β相而不发生马氏体转变的一类合金，通过热处理后可获得较高的拉伸强度。目前国内外广泛应用的高强钛合金中大部分为亚稳β钛合金，如Ti1023、VT22及其衍生合金Ti-5553、Ti-55531已应用于EL-76、波音787、EL-96-300、空客A350等飞机起落架、机翼与挂架的连接装置等关键承力部位，减重30％。所以说亚稳β钛合金是高强钛合金的重点发展方向之一。

目前，应用于钛合金领域的合金设计方法主要有试错法、Mo当量设计法、d电子理论设计和基于模糊逻辑神经网络技术及专家数据库等合金设计方法。试错法依赖于大量的实验，进行大量的筛选才能获得较好性能的材料，具有偶然性和盲目性。对于多元钛合金体系，Mo当量在钛合金的设计过程中可以作为合金元素加入量的依据，但是，仅凭Mo当量的控制难以对合金元素及比例进行确定，同时也无法解释具有同一Mo当量的不同合金具有不同力学性能的现象。基于d电子理论的合金设计即采用和值控制合金的相稳定性和性能，可以确定未知合金的结构类型，但是及值随浓度的变化是简单的线性关系，不能解释合金的晶体结构参数和性质随组元浓度而发生复杂变化的实验事实，也不能预计原子排布的变化所引起的合金性质的变化，因此该方法在钛合金设计过程中的作用是有限的。而模糊逻辑神经网络技术及专家数据库模拟虽然精度高，但物理意义不明确，很难深入到微观本质。

在公开号为CN108446478A的发明创造中，中南大学提出了一种多组元高强度钛合金的设计方法。该方法主要是通过扩散节的制备、扩散节中不同成分的合金对应的显微组织和显微硬度的测定，从而建立钛合金“成分-组织-硬度”对应关系的数据库。与其他合金设计方法相比，本方法更具有针对性，具有很强的实用价值。但是该方法完全依靠实验的手段，成本较高，而且从制备到扩散焊再到成分组织性能的测试，周期比较长。

在公开号为CN101763450A的发明创造中，辽宁工业大学提出了一种钛合金成分定量设计的方法。该方法从钛合金的实际相变出发，在电子结构层次上建立了不同热处理条件下钛合金的强度增量和延伸率降低量的计算公式，从而设计出满足设计要求的合金成分。该设计发明实现了高效快速和低成本，但是该方法完全依靠计算预测的手段，而且从电子结构层次直接跨到材料的宏观性能层次，这一设计方法的跨度太大，导致其物理意义不太明确，计算结果与实际情况相差较大。

发明内容

为克服现有技术中存在的钛合金设计成本高、周期长及模拟计算结果与实际情况相差较大等问题，本发明提出了一种亚稳β钛合金的成分设计方法。

本发明的具体过程是：

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：